Demenze metaboliche e neurodegenerazione.

Transcript

Le Demenze
Metaboliche e rare:
non solo malattia di
Alzheimer
Antonio FEDERICO
Department of Medicine, Surgery
and Neurosciences, Medical
School, University of Siena
The study of rare diseases: butterfly collecting or
an entrèe to understanding common
conditions?
K. Talbot, Pract. Neurol. 7: 210-211, 2007
Garrod AE: Inborn errors of metabolism
(Croonian Lectures). Lancet 2:1, 1908
….The factors which confer
upon us our predispositions to
and immunities from the
various mishaps which are
spoken of as diseases, are
inherent in our very chemical
structure; and even in the
molecular groupings which
confer
upon
us
our
individualities, and which went
to the making of the
chromosomes from which we
sprang.
Dementia: not only Alzheimer’s
disease. Neurometabolic dementias
• Storage material for a primary
lysosomal dysfunction of lipid
metabolism
• Plasma membrane lipid changes due
to peroxisomal impairement
• Cell cholesterol trafficking
disturbancies
• Energy metabolism impairement
• Chromosomal instability and Dna
repair
• Cell nutrients deficiency
• Small vessel diseases
Alzheimer’s disease and
metachromatic leukodystrophy
L. Amaducci. S. Sorbi. S. Piacentini. KL Bick
The first Alzheimer disease case: a
metachromatic leucodystrophy
Dev. Neurosci. 13: 186-7, 1991
L. Amaducci
Alzheimer’s original patient
Science 274: 328, 1996
Metachromatic leucodystrophy
• Gene localization:
22q13-22qter
• Enzyme deficiency:
Arylsulphatase A
• Pathogenesis:
Sulfatides and
lysosulfatides storage
J. Austin
Adult form
• Psychic signs: behavioural changes,
interest loss, emotional lability, psychotic
troubles, mental deterioration until
dementia
• Neurological signs: weackness, ataxia,
peripheral neuropathy, epilepsy, optic
atrophy
or
cherry-red
spot,
leucoencephalopathy at MR
• Final signs: optic atrophy, rigidity,
dementia
Phenotypic variability in a MLD
family
Helthy mother,
obligate carrier
n/n n/mld ASA 32%
MLD patient, 32 a
Dementia
peripheral neuropathy,
epilepsy, leucodystrophy
n/n mld/mld ASA 13%
Sister, 45a
No clinical signs
n/n mld/mld ASA 13%
• Severe demyelination
of cerebral and
cerebellar
hemispheres, with
evidence of
metachromatic PAS
positive granules
within neurons and
glial cells
• Lysosomal storage
vacuoles in liver,
kidney, gallbladder,
bone marrow, skin
fibrocyte, Schwann
cells, etc
Early thalamic and cortical
hypometabolism in adult-onset dementia
due to metachromatic leukodystrophy
Salmon E. et al
Acta Neurol Belg 99: 185-8, 1999
Early onset adult dementia with a family history of
dementia, characterized by neuropsychological
deficits, suggesting frontal involvement, with mild
non specific white matter abnormalities on CT and
MR. Neuropathologic diagnosis after brain biopsy
was metachromatic leucodystrophy
Psychiatric disturbances in metachromatic
leucodystrophy: insights into neurobiology of
psychosis
Hyde TM et al. Arch Neurol 49:401, 1992
• Psychosis was present in 53% of the published case
reports of adolescente and adult MLD.
• Demyelination occurs mainly in subfrontal white
matter, suggesting that the psychosis may result
from the disruption of corticocortical and
corticosubcortical connections, especially involved
in frontal lobes
(Adult form)
• Loc…Lidia, 31 y
• Degree in biology.
• By the age of 25, behavioural changes with
depression, apathy, poor social relations)
• A 30 y, 2 seizures
• RM: leucoencephalopathy, with T2 hyperintensity
signal alterations bilaterally in periventricular white
matter, in corpus callosum splenium, in
mesencephalon , pons and in caudate nucleus.
• VEP: bilateral moderate abnormalities
• SSEPs: severe alterations
• CSF examination: Increased albumin, IgG and IgM.
Normal intratecal synthesis.
Loc… Lidia, 32 y
• NCVs: severely decreased for a severe
sensory-motor myelinic polineuropathy
• Mielobiopsy: vacuolated cells
• ASA: 12 mmoles/h/mg (vn 80-200)
• Abnormal urinary sulphatide excretion
Arylsulphatase A pseudodeficiency in
vascular dementia and Alzheimer
disease
Philpot M et al., Neuroreport 8:2613-16. 1997
Krabbe’s disease
14q21-14q31
galactocerebrosidase
• Pathogenesis: storage
of psychosine
(galactosphyngosin)
Krabbe’s disease
Adult form
• Great phenotypic heterogeneity
• Kolodny et al (1990) described the case with later onset and
duration in a women with weacknes at 40 years, with very
slow evolution, without psychic changes at the age of 73
• Demyelinating polyneuropathy and leucoencephalopathy at
MR
• It has to be considered in any patient with pallor of optic
disc, slowly progressive spastic paraparesis, asymmentric
polineuropathy and periventricular leucoencephalopathy.
Adult Krabbe’s disease
De Stefano et al. J.Neurol.247: 226-228, 2001
Adult-Onset KD GALC
Gene Analysis
1026del10
Mutations
G809A
• Two
mutations
previoulsy reported in
patients with infantile
and adult forms of KD
• Complexity
in
the
interpretation of diseasecausing mutation
GALC Gene
Rov. Franco, 57 y
• History of progressive cognitive deficiency,
gait troubles with onset at the age 53 in a
patient with diabetes
• Some epysodes of right hypostenia
• Several hospitalizations and a MR with
cortical-subcortical diffuse atrophy and
white matter changes considered as a
microlacunar vascular encephalopathy
• Axonal-myelinic sensory-motor peripheral
neuropathy
Rov. Franco, 57 y
• Dysphagia, disartria, right hemiparesis,
slight right pyramidal hypertonus, dysmetria,
pseudobulbar gait. Right Babinski
• Medium degree cognitive deficiency
• Severe decrease of nerve conduction
velocities
• Galactocerebrosidase leucocyte activity: 0,05
nmoles/h/mg prot (nv 2-6)
• G809A mutation of Galcer.ase gene, common
in adults
Rov.Franco, 57 a
Nerve biopsy
Very severe decrease of myelinic fibre density (80-90%
fibre loss). Rare axonal degeneration, findings of a severe
axonal disorder.
KRABBE DISEASE
(Rov…57 y)
Chronic GM2 Gangliosidosis
(deficiency of Hexosaminidase)
• Severe psychiatric disturbances, with
anxiety, psychosis, hallucinations, etc. and
in final stage dementia
• Neurovegetative troubles
• Different neurologic phenotypes
• Caution
in
treatment
psychiatric
symptoms since imipramine inhibits
Hexosaminidase A activity (Palmeri and
Federico, J Neurol Sci 1992, 110: 215-21)
From: The Natural History of Cognitive Dysfunction in Late-Onset GM2 Gangliosidosis
Arch Neurol. 2005;62(6):989-994. doi:10.1001/archneur.62.6.989
Table Title:
Neurologic Features of 62 Patients With Late-Onset GM2 Gangliosidosis
Date of download: 5/23/2015
Copyright © 2015 American Medical
Association. All rights reserved.
Journal of the Neurological Sciences
Volume 110, Issues 1–2, July 1992, Pages
215–221
Imipramine induced lipidosis and
dexamethasone effect: morphological and
biochemical study in normal and chronic
GM2 gangliosidosis fibroblasts
Silvia Palmeri, Luciana Mangano, Carla
Battisti, Alessandro Malandrini, Antonio
Federico
Lysosomal Diseases primarily
involving brain vascular system
Fabry’s disease
The vascular dementia of Fabry’s disease
•
•
•
•
•
X-linked disorder of glycosphingolipids
insidious dementia in middle or later
life
deficiency in beta-galactosidase
deposition of glycosphingolipids in
blood vessels walls in the brain, in the
kidney, heart, peripheral nerves and
other organs
to be considered in the workup of
otherwise unesplained vascular
dementia, particularly in males less than
65 years of age
Fabry’s disease
.
The classic form, occurring in males with less than 1% -Gal A
activity, usually has its onset in childhood or adolescence
with periodic crises of severe pain in the extremities
(acroparesthesias), the appearance of vascular cutaneous
lesions (angiokeratomas), hypohidrosis, characteristic corneal
and lenticular opacities, and proteinuria.
• Gradual deterioration of renal function to
end-stage renal disease (ESRD) usually
occurs in the third to fifth decade. In
middle age, most males successfully
treated for ESRD develop cardiovascular
and/or cerebrovascular disease, a major
cause of morbidity and mortality.
Neurological features of
Fabry's disease
Central nervous system
• Cerebrovascular events
• ischaemic stroke
• Transient ischaemic attack
• Tinnitus
• Hearing impairment
• Vertigo
• Psychiatric disorders (especially
depression)
• Cognitive impairment
Peripheral nervous system
• Peripheral
neuropathy
(especially
small
fibre),
autonomic dysfunction
• Neuropathic pain
• Episodic pain crises (triggered,
for example, by warming)
• Acroparaesthesiae
• Impaired temperature sensation
• Hypohidrosis
• Intestinal dysmotility (including
abdominal pain and diarrhoea)
• Peripheral
vasomotor
dysregulation
Pathophysiology of stroke in
FD
• Large and small cerebral vessels are affected
• Stroke may result from cardiogenic embolism in the context of
ischaemic heart disease, valvular disease, arrhytmia and
cardiomyopathy.
• Changes in the vessel wall as a consequence of glycolipid
accumulation may lead to progressive stenosis and occlusion of
small blood vessels.
• In large vessels, the converse applies, with lipid deposition
weakening the vessel wall, resulting in dilatation and tortuosity.
• Disturbation of intra- and intercellular signalling via cytokines.
• Increased levels of endothelial prothrombotic factors and
leukocyte adhesion molecule expression and increased
endothelium-mediated vascular reactivity.
• Changes in the local pattern of blood flow.
Neurometabolic dementias
• Storage material for a primary lysosomal
dysfunction of lipid metabolism
• Plasma membrane lipid changes due to
peroxisomal impairement
• Cell cholesterol trafficking disturbancies
• Chromosomal instability and Dna repair
Adult-onset
adrenoleukodystrophy
manifestating as dementia
Panegyres PK, Goldswain P, Kakulas BA
Am. J. Med. 87: 481-3, 1989
Adrenoleukodystrophy
• Gene localization: Xq28
peroxisomal
beta
oxidation; long and very
long chain fatty acid
activation and their CoA
derivatives (C22-C26)
• Pathogenesis:
accumulation of long and
very long fatty acids (C22C26)
Adrenoleukodysrophy
Kruse et al Ann Neurol 1994
• The evidence of inflamatory process and
cortico-adrenal insufficiency gives some
interesting discussion points on the
pathogenesis of demyelination and on the
possible role of these phenomena on the
complex cascade of events
ALD, AMN and Multiple Sclerosis
• Inflammatory lesions in ALD-AMN are
similar to those described in MS, suggesting
a similar immunopathological mechanism in
the pathogenesis of demyelination
• Oligoclonal bands in CSF in ADL (Dotti,
Federico et al 1990) and autoimmunitary
processes (Federico et al, 1987; Dotti et al,
1990)
• High amount of IgG in the brain (Berheimer
et al, 1983)
• Evidence of macrophages binding IgG in the
brain
CYTOKINE PRODUCTION FROM
PERIPHERAL MONONUCLEAR CELLS IN
TWO PATIENTS AFFECTED BY
ADRENOMYELONEUROPATHY
M Di Renzo*, F Laghi-Pasini*°, MT Dotti^^, P
Formichi^^, P Annunziata+, AL Pasqui*, G Pompella*, A
Auteri* and A Federico^^
Eur Neurol. 2001;45(3):192-3
ADL-Treatment
• Bone marrow transplantation (in the
early stage)
• Trials with drugs interacting with fatty
acids (lovastatin, rolipram, both also
with anti-inflamatory effect; 4fenilbutirrate, able to decrease fatty
acids in the X-ADL mice brain)
• Lorenzo’s Oil (in the early stages)
Ceroid lipofuscinosis
Autosomal
dominant Kufs’
disease: a cause
of early onset
dementia
SA Josephson et al
J. Neurol. Sci. 188:
51-60, 2001
ADULT CEROIDLIPOFUSCINOSIS
(J. Neurol. Sci.188: 51-60, 2001)
Lipopigment
accumulations in neurons
(J. Neurol. Sci.188: 51-60, 2001)
Lipopigment accumultion
in skin biopsy
Dementia,
myoclonus,
peripheral neuropathy
and lipid-like material in
skin
biopsy
during
psychotropic drug treatment
A. Federico et al
Biol. Psychiat. 32: 722-727,
1992
Cerebrotendinous Xanthomatosis
• Molecular genetic defects in the sterol 27-hydroxylase gene
• Deficiency of the mitochondrial enzyme sterol 27-hydroxylase
• Increased serum level of cholestanol
Conventional MRI
Clinical Features
• Tendon xanthomas
• Juvenile cataracts
• Progressive neurological
impairment including
peripheral neuropathy,
epilepsia, dementia, ataxia
• Osteoporosis
Variability of symptoms
WM Abnormalities
Hyperintense signal
in dentate nuclei
Cerebrotendinous
Xanthomatosis
Liver abnormalities
Tendon xanthomata
Tendon xanthoma
Cerebrotendinous
Xanthomatosis as a multisystem
Disease Mimicking Premature
Aging
MT Dotti, G. Salen and A Federico
Dev Neurosci 13:371-78, 1991
• atherosclerosis
• dementia
CTX: Biomolecular diagnosis
• High plasma and tissue cholestanol levels
• Normal to low plasma cholesterol concentrations
• Impaired primary bile acid synthesis (low
chenodeoxycholic acid: in normal subjects
chenodeoxycholic/cholic acid ratio is 1:1, whereas in
CTX the ratio is 1:10);
• Increased levels of bile alcohols (bile acid
precursors) and their conjugates (glucuronides) in
the bile, urine and plasma;
• Changes in blood-brain barrier
• Mutation in sterol 27-hydroxylase gene
Cerebrotendinous xanthomatosis:11 year treatment with
Chenodeoxycholic acid in five patients. An electrophysiological study
Mondelli M et al. J. Neurol. Sci. 190:29-33, 2001
Chenodeoxycholic acid treatment
in CTX
• Normalization of plasma cholestanol and bile acids
• Normalisation of plasma and CSF pyruvate and
lactate
• Improving EEG abnormalities
• Improving NVC and other neurophysiological
parameters
• Improving osteoporosis
• Decreasing mass of xanthoma
• Stabilization of neurological defect
• Under investigation the effect in preclinical stages
Clinical and molecular diagnosis of cerebrotendinous xanthomatosis with a
review of the mutations in the CYP27A1 gene.
Gallus GN, Dotti MT, Federico A. Neurol Sci. 2006 Jun;27(2):143-9.
9
8
7
6
insertions
5
deletions
4
splice site mutations
3
nonsense mutations
2
CTX Mutations
missense mutations
1
0
PR 1
2
3
4
5
6
7
8
9
exons
8
7
6
5
4
3
2
1
0
X
R
IV 39
S 6 5C
+1
G
>A
R
IV 40
S 7 5Q
+
IV 1 G
S7 >A
+5
G
>
R T
47
D
el
4
Ex Q
on
79
27
0
R
59
R
X
K2
23
1
R
16
P
A2
R
12
7
Q
mutated alleles
number of families
mutations
CTX Mutations
in our experience
Filippin stain in fibroblasts
Control
Niemann Pick C
Adult Nieman Pick type C
Battisti et al, Mov Disord. 2003 Nov;18(11):1405-9
• 33y. Since 25, psychic problems with obsessivecompulsive behaviour, then dementia and dystonic
movements and spastic-ataxia and dementia
• Impairement of downgaze
• MRI: cerebellar and cerebral atrophy and
periventricular white matter signal hyperintensity
• heterozygous for two single rare nucleotide
substitutions in NPC1 gene: i) in exon 20 (c.3019
C->G) leading to alanine for proline substitution at
position 1007 (P1007A) and ii) in exon 21 c.3182 T>C) leading to threonine for isoleucine substitution
at position 1061 (I1061T).
Neurofibrillary tangles in
Niemann-Pick type C disease
Love S et al, Brain 118: 119-29, 1995
• The tangles were argyrophillic,
fluorescent, strongly reacting
with antibody to tau protein;
some
immunostained
for
ubiquitin.
• They consist ultrastructurally
of paired helical filaments
identical to those of AD and are
related with the abnormal
storage material
Niemann-Pick type C disease in a 68-year-old patient.
Trendelenburg G, Vanier MT, Maza S, Millat G, Bohner G,
Munz DL, Zschenderlein R.
J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2006 Aug;77(8):997-8.
•
•
The oldest patient affected with the disease so far.
This 68 year old woman presented with a 15 year history of depression and
fluctuating mood, and was treated several times in psychiatric departments during
the previous years. At the age of 54 she was unable to work further. In the past 4
years she had developed a fluctuating, progressive dementia with reduced
impulse, affective instability, dysphagia, cramped hands and dyskinesia.
•
blepharospasm, a vertical gaze palsy and choreiform oral buccal movements
•
She was bedridden and was not able to communicate, was only intermittently
groaning and followed simple requests inconstantly. Her hands were held in a
dystonic, flectional position and her upper extremities were moved
stereotypically. A positive bilateral Babinski sign was found.
Molecular genetic analysis showed a new frameshift mutation of the NPC1 gene,
•
K1206fs, on one allele in our patient.
Lancet Neurol 2007; 6: 765–72
Miglustat, a small iminosugar, reversibly inhibits glucosylceramide synthase,
which catalyses the first committed step of glycosphingolipid synthesis.
Miglustat is able to cross the blood-brain barrier, and is thus a potential
therapy for neurological diseases. suggesting that miglustat has some beneficial
effect on brain dysfunction in NPC
Variation in NPC1, the gene encoding Niemann-Pick C1, a protein involved in
intracellular cholesterol transport, is associated with Alzheimer disease and/or
aging in the Polish population.
Erickson RP, Larson-Thomé K, Weberg L, Szybinska A, Mossakowska M,
Styczynska M, Barcikowska M, Kuznicki J.
Neurosci Lett. 2008 Dec 12;447(2-3):153-7.
•
•
•
There is abundant evidence that cholesterol metabolism, especially as mediated by
the intercellular transporter APOE, is involved in the pathogenesis of sporadic, lateonset Alzheimer disease (SLAD). Identification of other genes involved in SLAD
pathogenesis has been hampered since gene association studies, whether individual
or genome-wide, experience difficulty in finding appropriate controls in as much as
25% or more of normal adults will develop SLAD.
Using 152 centenarians as additional controls and 120 "regular", 65-75-year-old
controls, an association of genetic variation in NPC1 with SLAD and/or aging has
been found. In this preliminary study, we find gradients of two non-synonymous
SNP's allele frequencies in NPC1 from centenarians through normal controls to
SLAD in this non-stratified Polish population. An intervening intronic SNP is not in
Hardy-Weinberg equilibria and differs between centenarians and controls/SLAD.
Haplotypes frequencies determined by fastPHASE were somewhat different, and the
predicted genotype frequencies were very different between the three groups.
These findings can also be interpreted as indicating a role for NPC1 in aging, a role
also suggested by NPC1's role in Dauer formation (hibernation, a longevity state) in
Caenorhabditis elegans.
• Energy metabolism impairment
Energy metabolism dysfunction
and dementia
High plasma levels
of lactate
Psychosis and progressive
dementia: presenting features
of a mitochondriopathy
Amemiya S, Hamamoto M, Goto Y, Komaki
H, Nishino L, Nonak I, Katayama Y
Neurology 55: 600-601, 2000
A MELAS mt DNA mutation that
induces subacute dementia which
mimicks Creutzfeldt-Jakob
disease
Isozumi K, Fukuuchi Y, Tanaka K,
Nogawa S, Ishihara T, Sakuta R
Intern. Med. 33: 543-6, 1994
Alzheimer’s type pathology in a
patient with MELAS
•
•
•
•
Kaido M et al. Acta Neuropathol 92: 312-18, 1996
53 y, with tRNALeu(UUR),nt 3243 DNA mut
In the brain no ischemic lesions, but senile plaques
predominantly in the frontal and temporal lobes.
Neurofibrillary tangles were evident only in
parahippocampal gyrus
Plaques were positive for beta-amiloid protein and
negative for tau protein. No mutations for betaamyloid precursor protein gene
The results suggest a possible correlation between this
mit DNA abnormality and Alzheimer-type pathology
Mutation in mitochondrial
cytochrome c oxidase genes
segregates with late-onset
Alzheimer disease
R. Davis et al
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 4526-31, 1997
Elevated levels of the KearnsSayre syndrome mitochondrial
DNA deletion in temporal cortex
of Alzheimer’s patients
N. S. Hambler and F. J. Castora
Mutat. Research 379: 253-262, 1997
Mitochondria and Alzheimer
•
•
•
•
•
In AD, mitochondrial ROS generation and
inhibition of energy metabolism increase A
levels in cells and transgenic mice, and A
can interact with mitochondria and cause
mitochondrial dysfunction.
A inhibits complex IV and -ketoglutarate
dehydrogenase (KGD), and binds A binding alcohol dehydrogenase (ABAD).
Both KGD and ABAD produce ROS (white
stars).
Amyloid precursor protein (APP) may be
targeted to the OMM and interfere with
protein import.
Mitochondria have also been reported to
contain active -secretase complexes, which
are involved in cleaving APP to form A
and contain presenilin 1, which increases
the proteolytic activity of HTRA2 towards
IAPs.
AD patients have on average more somatic
mutations in the mtDNA control region
than control subjects
Acta Neuropathol (2005) 110: 315–316
Atle Melberg Æ Inger Nennesmo Æ Ali-Reza Moslemi, Gittan Kollberg Æ Petri Luoma Æ Anu
Suomalainen, Elisabeth Holme Æ Anders Oldfors
Alzheimer pathology associated with POLG1 mutation, multiple mtDNA
deletions, and APOE4/4 : premature ageing or just coincidence?
Neurogenetics. 2010 Feb;11(1):21-5.
A novel variation in the Twinkle linker region causing late-onset dementia.
Echaniz-Laguna A1, Chanson JB, Wilhelm JM, Sellal F, Mayençon M, Mohr M, Tranchant C,
Mousson de Camaret B.
Variations in the mitochondrial helicase Twinkle
(PEO1) gene are usually associated with autosomal
dominant chronic progressive external ophthalmoplegia
(PEO). We describe five patients from two unrelated
Alsatian families with the new R374W variation in the
Twinkle linker region who progressively developed an
autosomal dominant multisystem disorder with PEO,
hearing loss, myopathy, dysphagia, dysphonia, sensory
neuropathy, and late-onset dementia resembling
Alzheimer’s disease. These observations demonstrate that
Twinkle variations in the linker domain alter cerebral
function and further implicate disrupted mitochondrial
DNA integrity in the pathogenesis of dementia.
• Small brain vessels dysfunction
Werner’s syndrome
– Face
• Prematurely aged face
– Eyes
• Cataracts
• Retinal degeneration
– Nose
• Beaked nose
– Heart
• Premature
arteriosclerosis
– Osteoporosis
– Limbs
• Slender limbs
Skin
Scleroderma-like skin,
especially of face and distal
extremities
Subcutaneous calcification
Ulceration
Hair
Thin, sparse, gray
Premature balding
Diabetes mellitus
Hypogonadism
Malignancy in approximately
10%
Osteosarcoma and meningioma
especially
Two siblings with Werner’s syndrome
Homozygosity for nt 2425 CGA(Arg)--TGA(Stp): elicase gene
A. Malandrini, MT Dotti, M Villanova, C Battisti and A. Federico
Europ Neurol 44: 187-189, 2000
Vit...Giovanna, 33y
Vit....Angelo, 41y
WERNER’S SYNDROME
Homozygosity for nt2425 CGA(Arg)TGA(Stp) mutation
Malandrini A, Dotti MT, Villanova M,
Battisti C and Federico A.
Eur. Neurol 44:187-89,2000
Proton MRSI
Werner’s Sindrome
NAA Decrease
Axonal Damage/Loss
Brain Atrophy in Werner’s Syndrome
Structural Image Evaluation of Normalised Atrophy
Normal Subject Werner’s Patient
Werner’s Syndrome
NAA & NBV Decreases
4
1700
p< 0.03
3
NBV (cc3)
NAA/Cr
1600
p< 0.03
1500
1400
2
Normal
Controls
n=21
Werner
Patients
n=2
1300
Normal
Controls
n=16
Werner
Patients
n=2
Enhanced 2-deoxy-D-riboseinduced apoptosis, a phenotype of
lymphocytes from old donors, is not
observed in the Werner’s syndrome
C. Battisti, P Formichi, SA Tripodi, G
Morbini, P Tosi and A Federico
Experim. Gerontol 35: 605-12, 2000
Celiac disease and dementia
Intellectual deterioration ranged from moderate
to severe and diffuse or cerebellar atrophy was
found on brain CT or MR.
Diagnosis was confirmed by findings of subtotal
villous atrophy in jejunal biopsy specimens and
positive
serum
gliadin,
reticulin
and
endomisium antibodies.
Gastrointestinal symptoms are mild
Lipofuscin accumulation in celiac disease
and Vit E deficiency (skin and muscle)
Battisti et al. J. Submicrosc.Cytol.Pathol, 1996
Disappearence of skin lipofuscin storage
and marked clinical improvement in
adult onset celiac disease and severe vit
E deficiency after chronic vit E
supplementation
Battisti C, Dotti MT, Formichi P, Bonuccelli U,
Malandrini A, Carrai M, Tripodi SA, Federico A
J. Submicrosc. Cytol. Pathol 28: 339-334, 1996
Vitamin E
• Modulation of amyloid beta-peptideinduced creatine kinase inhibition and
increased
protein
oxidation
(Rev
Neurosci. 1999; Neurochem. Res. 1999)
• Evidence of protections against vascular
dementia and improvement of cognitive
functions (Neurology, 2000)
• Low CSF and serum vitamin E in AD
patients (J.Neural Transm 1997)
• Higher levels in centennarians (Arch.
Gerontol. Geriatr. 1994)
Increased serum levels of vitamin E
during human aging: is it a protective
factor against death?
C. Battisti, MT Dotti, L Manneschi and A
Federico
Arch. Gerotol. Geriat. 17(S4): 13-18, 1994
Vitamin E increases S100Bmediated microglial activation in
an S100B-overexpressing mouse
model of pathological aging.
Bialowas-McGoey LA, Lesicka A,
Whitaker-Azmitia PM.
Glia. 2008 Dec;56(16):1780-90.
Folate and vitamin B12
• Well known B12 and folate deficiency
dementia
• Decreased CSF levels in AD (J Neural Transm
2001)
• Controversial
data
on
plasma
total
homocysteine levels and the C677T mutation in
the methylenetetrahydrofolate reductase gene in
a population with dementia (Mech Ageing Dev
2001)
Other neurometabolic
disorders with dementia
Adult-onset phenylketonuria revealed by acute reversible dementia,
prosopagnosia and parkinsonism.
Rosini F, Rufa A, Monti L, Tirelli L, Federico A.
J Neurol. 2014 Dec;261(12):2446-8
•
•
•
•
•
CSF totalTAU protein was increased (997 pg/ml,
nv\275), beta amyloid was 529 pg/ml, (nv[600),
phosphorylated-TAU was normal (21 pg/ml, nv\50).
Amino acid analysis evidenced increased
phenylalanine (Phe) (serum 947 lmol/L, nv 37–94,
urinary 49 mmol/mol-creatinine, nv 2–19), with
normal tyrosine.
Molecular analysis of the proband and her sister
confirmed a compound heterozygosity for the
mutations IVS10-11G[A/IVS4?4A[G of PAH gene,
reported with classical PKU phenotype.
Immediately after Phe-restricted diet with amino acid
supplementation introduction (daily Phe intake: 600
mg), patient showed rapid improvement; 6 months
later (still under Phe restricted diet), only mild
cognitive deficit and visual reduction remained,
despite unvaried Phe levels (serum 868 lmol/L,
urinary 55 mmol/mol-creatinine).
One-year brain MRI and MR spectroscopy follow-up
showed marked reduction of white matter
abnormalities and increased relative NAA/Cr ratio
Adult-onset chorea and
dementia with propionic
acidemia
Sethi KD et al
Neurology 39: 1343-5, 1989
Polyglucosan body disease
•
•
•
•
Progressive lower and upper
motor neuron deficits, sensory
loss, gait disturbance, late onset
pyramidal
tetraparesis,
dementia
Extensive
white
matter
abnormalities at MR
Polyglucosan
bodies
in
neurons,
astrocytes
and
peripheral nerves
Low
Reducing
branching
enzyme activity in patient subgroup
Adult polyglucosan body disease: proton magnetic
resonance spectroscopy of the brain and novel
mutation in the GBE1 gene.
Massa R, Bruno C, Martorana A, de Stefano N, van
Diggelen OP, Federico A.
Muscle Nerve. 2008 Apr;37(4):530-6.
CADASIL
• Cerebral autosomal dominant arteriopathy
with
subcortical
infarcts
and
leucoencephalopathy
• Adult onset, dominant inheritance
• The gene, corresponding to Notch3 gene, has
been localized on chr 19: a transmembrane
protein involved in cell specification during
development
• De novo mutations have been reported
BACKGROUND CADASIL/MRI
The white matter abnormalities are strongly
suggestive, but often undistiguishable from
other neurologic disorders (MS, SCVD, LD)
CADASIL
• Evidence of characteristic granular osmyophilic material
(GOM) within the basal membrane of brain vascular smooth
muscle cells;
• These vascular changes were also later reported in nerve, striated
muscle and skin.
• Joutel A et al . Skin biopsy immunostaining with a Notch3
monoclonal antibody for CADASIL diagnosis. Lancet 2001;
358:2049-51
• Malandrini A, Gaudiano C, Gambelli S, Berti G, Serni G,
Bianchi S, Federico A, Dotti MT. Diagnostic value of
ultrastructural skin biopsy studies in CADASIL. Neurology.
2007 Apr 24;68(17):1430-2.
CADASIL mutation screening in the
Neurometabolic Unit, University of
Siena (2000-2014)
Selected
patients:
1000
subjects
with
leucoencephalopathy, variable clinical spectrum,
not constant familiarity
CADASIL: 210 patients
Molecular genetic diagnosis
• A cluster of mutations around exon 3 and 4
originally reported (Joutel et al Lancet 1997)
• Limited scanning of these exons currently
suggested for the diagnosis in 70-80% of
cases
Notch3 gene (33 exons encoding a protein of 2321 aa;
aa; its
extracellular domain contains 34 EGFlike
repeat)
EGF
repeat)
Exon4
Exon 2
C49Y
R54C
1 2 3
G114P120del
C117F
C123F/Y
R133C
R141C
C144S/Y/F
C146R/Y
Y150C
R153C
R153C155del
C162S
R169C
4
Exon3
5
G171C
C174Y
S180C
R182C
C183R/S
C185R
C194F/Y
C206Y
R207C
C212S
C222G
C224Y
6
7
8
Exon19
R1006C
C1015R
R1031C
Exon11
C542Y
R544C
R558C
R578C
R607C
R1231C
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Exon6
W71C
R332C
D80S84del
Exon8
R90C
Exon5
G420C
C93F
C233
R449C
R110C
D239D253del
Y258C
Exon22
Exon14
24
25 26 2 28 29
7
30
31 32
33
Exon23
R728C
C1261R
Exon18
R985C
Exon20
R1076C
(G=glycine; P=proline; C=cysteine; F=phenylalanine; Y=tyrosine; R=argigine; S=serine;
W=tryptophan)
Cholinergic neuronal deficits in
CADASIL.
Keverne JS et al. Stroke. 2007 Jan;38(1):188-91
• ChAT activities were significantly reduced by
60% to 70% in frontal and temporal cortices of
CADASIL cases, as were ChAT and P75(NTR)
immunoreactivities in the nucleus basalis.
• These findings suggest cholinergic neuronal
impairment in CADASIL and implicate
cholinomimetic therapy for subcortical vascular
dementias.
Migrain and cerebral white matter
lesions: when to suspect CADASIL
• One or more of recurrent subcortical ischemic stroke
(especially before age 60 and in the absence of vascular
risk factors)
• Migraine (especially with aura, including atypical and
prolonged auras)
• Early cognitive decline or subcortical dementia
• Bilateral multifocal T2/FLAIR hyperintensities in the
deep white matter and periventricular white matter with
lesions involving temporal pole, external capsule, basal
ganglia and/or pons
• Autosomal dominant inheritance of migraine, early stroke
and dementia1
CADASIL
Clinical suspicion
• Symptoms may be not only limitated to CNS
(eyes, peripheral nerve, heart)
• Evidence of subclinic ophthalmologic signs
• Autosomal dominant inheritance, but de novo
mutations may be present
• Abnormalities in blood pression (non deepers)
• No a priori exlusion in presence of ATS risk
factors (Hyperhomocysteine or others) in absence
of MRI abnormalities of temporal lobe
• Atypical clinical manifestations
• Utility of a national registry
CADASIL
Clinical suspicion
in young adults
with
•Stroke due to unknown causes
•Leucoencefalopathy at MRI
•Familial history of stroke/dementia
No changes in more common exons
Molecular genetic analysis
NOTCH3 mutation
Skin biopsy
GOM
Main clinical and biological findings in
CADASIL and CARASIL
CADASIL
CARASIL
Onset (years)
40–50
20–30
Clinical features
Migraine, TIA/strokes, psychiatric
disorders, cognitive impairment
Cerebrovascular disturbances and
strokes (gait and cognitive
deficits)
Additional signs
−
Arthropathy, lumbago,
spondylosis deformans, disc
herniation and alopecia in some
cases
Inheritance
Autosomal dominant
Autosomal recessive
Cerebral MRI
Involvement of temporal lobe
and/or externe capsules
White matter lesions in the
periventricular and deep white
matter, with sparing of U-fibres.
Gene
NOTCH3 (chromosome 19q12)
HTRA1 (chromosome 10q26)
GOMs
+
−
CARASIL
Cerebral autosomal-recessive arteriopathy
with subcortical infarcts and
leukoencephalopathy (CARASIL) patients
are typically normotensive and have
alopecia with onset in their teen years,
spondylosis with onset in their 20 s and
30 s, stroke beginning in their 30 s, and
dementia with onset in their 30 s to 50 s.
Linkage analysis has shown mutations in the
HtrA serine protease 1 (HTRA1) gene have
been shown to cause CARASIL . Patients
with mutations tend to have protein
products with low protease activity that is
not able to repress signaling by the
transforming growth factor-β family.
MUTATIONS
MUTATION TESTER
SIFT
POLYPHEN
c.961G>A  p.Ala321Thr
DISEASE CAUSING
DAMAGING
PROBABLY DAMAGING
c.126delG
DISEASE CAUSING
-
-
c.961G>A
p.Ala321Thr
c.126delG
Japanese patients
Japanese patient without alopecia
Spanish patient
c.754G>A
p.Ala252Thr
c.904C>T
p.Arg302X
c.821G>
A
p.R274Q
c.883G>A
p.Gly295Arg
Our patient, 29 y
c.889G>A
p.Val297Met
c.1108C>T
p.Arg370X
Two novel HTRA1 mutations in a
European CARASIL patient.
Bianchi S, Di Palma C, Gallus GN, Taglia I,
Poggiani A, Rosini F, Rufa A, Muresanu
DF, Cerase A, Dotti MT, Federico A.
Neurology. 2014 Mar 11;82(10):898-900
Hereditary diffuse leukoencephalopathy with axonal spheroids: three patients with strokelike presentation carrying new mutations in the CSF1R gene.
Battisti C, Di Donato I, Bianchi S, Monti L, Formichi P, Rufa A, Taglia I, Cerase A, Dotti MT, Federico A.
J Neurol. 2014 Apr;261(4):768-72.
Hereditary diffuse leukoencephalopathy with axonal
spheroids (HDLS) is an autosomal dominant disorder
characterized by white matter neurodegeneration,
progressive cognitive decline, and motor symptoms.
Histologically, it is characterized by axonal swellings
(“spheroids”). To date, over 20 different mutations
affecting the tyrosine kinase domain of the protein
have been identified in the colony stimulating factor
1 receptor (CSF1R) gene.
We report three unrelated Italian patients affected by
HDLS and carrying new CSF1R mutations, thus
expanding the mutational spectrum and phenotypic
presentation.
CSF1R gene analysis was performed in 15 patients
(age range 25–83 years) with undefined
leukoencephalopathy and progressive cognitive
decline.
In three patients (two males and one female, aged 58,
37, and 48 years, respectively), new heterozygous
missense mutations affecting the protein tyrosine
kinase domain of the CSF1R gene were detected. In
all of these patients, behavioural and cognitive
changes were preceded by an ischemic stroke-like
episode. A positive family history was present in only
one case.
A Novel CSF1R Mutation in a Patient with Clinical and Neuroradiological Features of Hereditary
Diffuse Leukoencephalopathy with Axonal Spheroids
Ilaria Di Donato, Carmen Stabile,, Silvia Bianchi, Ilaria Taglia, Andrea Mignarri, Simona Salvatore, Elisa Giorgio,
Alfredo Brusco, Isabella Simone, Maria Teresa Dotti and Antonio Federico
Journal of Alzheimer’s Disease 2015
Abstract. Hereditary diffuse leukoencephalopathy with axonal
spheroids (HDLS) is an autosomal dominant cerebral white
matter degeneration leading to progressive cognitive and motor
dysfunction. The peripheral nervous system is generally spared.
Recently, mutations in the colony-stimulating factor-1 receptor
(CSF1R) gene have been shown to be associated with HDLS.
Here we report a new case of HDLS, carrying a mutation in CSF1R and
manifesting rapidly progressive dementia and peripheral
neuropathy.
Lipomembranous polycystic
Sclerosing leucoencephalopathy
•
•
•
•
•
•
•
•
Presenile autosomal recessive form of dementia,
starting in the third decade with bone pain and
fracture, in the distal part of arm bones.
In the 5° decade, psychic troubles, prefrontal type ,
myoclonus and epilepsy.
RM: leucoencephalopathy and basal ganglia
calcification at CT
White matter sclerosis, with myelin loss , astrocytic
increase and fibrillar gliosis
Cases mainly in Japan and Finland.
The pathogenesis seems to be related to vessel basal
membrane abnormalities in the brain and in the bone
Linkage to 19q13.1 , area in which amyloid precursorlike protein has been localized
It is caused by recessively inherited mutations in two
genes encoding subunits of a cell membrane-associated
receptor complex: TREM2 and DAP12.
The genetic causes of basal ganglia calcification, dementia, and bone cysts: DAP12 and
TREM2. Klünemann HH, et al Neurology. 2005 May 10;64(9):1502-7
Leucoencephalopathy with
intracranial calcifications
• Cognitive decline, epileptic seizures and
progressive neurological symptoms and
signs.
• Diffuse abnormal signal increase in the
white matter (T2-weighted sequences),
extensive calcifications in the basal ganglia,
cerebellar grey nuclei and central white
matter, as well as large parenchymal cysts
with mass effect.
• Ectatic small vessels, sometimes arranged
in an angioma-like pattern, vascular and
parenchymal calcifications and pronounced
gliosis with so-called Rosenthal fibres.
I nuclei sottocorticali sono soggetti all’accumulo di vari minerali
Rame (malattia di Wilson)
Manganese (distonia/parkinsonismo)
Ferro (NBIAs)
Calcio (malattia di Fahr)
Genetica: recenti acquisizioni
Nel 2013, mutazioni del gene PDGFRB che codifica per il platelet-derived growth
factor receptor beta (PDGFRβ) e del gene PDGFB che codifica per il platelet-derived
growth factor beta (PDGFB), ovvero il principale ligando di PDGFRβ, sono stati
identificati come causa di di FIBGC (Neurology 2013; Nat Genet 2013).
Il sistema PDGFRβ-PDGFB, riccamente espresso a livello cerebrale, favorisce la
proliferazione dei periciti responsabili dell’integrità della barriera ematoencefalica.
Una perdita di funzione potrebbe alterar l’integrità della BEE con conseguente
deposizione di calcio a livello vascolare e perivascolare.
Analisi genotipo-fenotipo in famiglie italiane
Mov Disord 2014
Abbiamo studiato per la pima
volta delle famiglie italiane con
calcificazioni dei nuclei della
base.
Analisi della regione codificante
completa di tutti e tre i geni ad
oggi conosciuti.
Reclutati 15 pazienti (7 famiglie).
Identificazione di tre mutazioni del gene SLC20A2 nelle famiglie I, VI e VII
Famiglia I: delezione di due nucleotidi nell'esone 8 (c.1101_1102delCG)
Famiglia VI: sostituzione c.1784C>T nell’esone 10
Famiglia VII: mutazione missense c.1301C> G
Oculodentodigital dysplasia with massive brain calcification and a new mutation of
GJA1 gene.
G. Tumminelli1, I. Di Donato1, V. Guida2, A. Rufa1, A. De Luca2 and A. Federico1
•
•
Oculodentodigital dysplasia (ODDD) [MIM 164200] is a rare
inherited disorder caused by mutations in the gap junction alpha
1 (GJA1) gene encoding for connexin 43 (Cx43). Typical signs
include type III syndactyly of the fourth and fifth finger,
microphtalmia, microcornea, microdontia, enamel hypoplasia
and neurological disturbances.
We report a 59-year-old man, having progressive gait
disturbances and unsteadiness, born with bilateral type III
syndactyly of the third, fourth and fifth finger and bilateral
syndactyly of second and third toe. Decreased visual acuity
with glaucoma and cataracts, microdontia, caries and teeth loss
were evident since childhood. Clinical examination showed the
classical ODDD features. From the neurological point of view,
blindness, unsteady and spastic gait, spasticity of inferior limbs
were present. A computerized tomography scan revealed gross
calcifications of basal ganglia and cerebellar nuclei. Magnetic
resonance imaging showed thin corpus callosum and mildly
enlarged ventricles. Phosphorus and calcium metabolism
examination was normal. The clinical findings suggested
ODDD, with some rarely reported features (massive brain
calcifications). Mutation analysis of GJA1 gene identified an
unreported heterozygous missense mutation
[NM_000165.3:c.124G>C;p.(Glu42Gln)] within the first
transmembrane domain, a highly conserved region of the
protein. This case expands the knowledge of ODDD, with the
evidence of a new GJA1 mutation, which may alter the brain
microvessels leading to massive calcifications, as in Primary
familial brain calcification.
NM_000165.3; c.124G>C; p.Glu42Gln
Mutations in the GJA1 gene (6q21-23.2)
coding for Connexine 43
Wilson disease
•
•
•
•
•
Personality changes, dementia, tremor, ataxia
Kayser-Fleischer ring
Hepatomegaly
Low serum ceruloplasmin, high serum copper
Mutation in ATP7B gene
J Neurol. 2013 Apr;260(4):1152-4..
Lithium neurotoxicity mimicking
rapidly progressive dementia.
Mignarri A, Chini E, Rufa A,
Rocchi R, Federico A, Dotti MT.
a The EEG at baseline shows slowing of background activity
at 7 Hz, and intrusion of biphasic and triphasic slow waves with
prevalent frontal expression. b Five days after drug withdrawal, the
EEG reveals improvement of background activity (from 7 Hz to
8 Hz) and significant decrease of the bihemispheric slow waves
Dementia,
myoclonus,
peripheral neuropathy
and lipid-like material in
skin
biopsy
during
psychotropic drug treatment
A. Federico et al
Biol. Psychiat. 32: 722-727,
1992
Pract Neurol.2014 Dec;14(6):449-50.
Temporal lobe abnormalities in neurosyphilis.
Mignarri A1, Arrigucci U2, Coleschi P3, Bilenchi R4, Federico A1, Dotti MT1.
A 28-year-old woman presented with a 5-month history of
cognitive and behavioural disturbances. Her past history was
unremarkable, and she had no family history of neurological
disorders. On examination, she showed temporospatial
disorientation, ideomotor apraxia, gait ataxia, dysarthria,
anisocoria and reduced pupillary light responses. Routine blood
tests were normal. MR scan of brain showed T2/FLAIR temporal
hyperintensities (figure 1). Cerebrospinal fluid (CSF) analysis
showed no cells, elevated protein count, high immunoglobulin
(Ig) G index and intrathecal oligoclonal IgG synthesis. The CSF
results of PCR for herpes simplex virus were negative. Further
analyses yielded positive results for the venereal disease research
laboratory (VDRL) test in serum (titre 1:8) and CSF, and for the
Treponema pallidum haemagglutination (TPHA) test in serum
(titre 1:10 240), thus confirming the diagnosis of neurosyphilis.
Serology and PCR excluded HIV co-infection. We treated her
with penicillin G and ceftriaxone. At 2-year follow-up, her
neurological function had improved, and there was progressive
resolution of T2/FLAIR temporal hyperintensities (figure 1),
while serum titres of VDRL and TPHA were unchanged over
time.
Malattia di Marchiafava Bignami
Caso Clinico
•
•
•
•
•
•
•
•
Donna, 51 anni.
Storia di depressione, anoressia ed
alcolismo.
Esordio acuto con confusione mentale,
disorientamento nello spazio e nel tempo,
amnesia, difficoltà nell’eloquio.
EON: paziente vigile, non collaborante,
afasica ed aprassica, neglect emisoma
destro, tetraparesi, tetraiperreflessia, segno
di Babinski bilaterale, movimenti
afinalistici.
Esami di laboratorio: macrocitosi,
alterazione degli indici di funzionalità
epatica, incremento di alfa-fetoproteina,
CEA e CA 19.9.
Esame del liquor: nella norma la
citochimica; negativa la ricerca di virus.
EEG: marcato rallentamento del ritmo di
fondo caratterizzato dalla presenza di onde
delta a 2-3 Hz nettamente più evidenti sulle
derivazioni di sinistra.
TC encefalo: evidente tumefazione e
slargamento del corpo calloso, che
interessa anche splenio e ginocchio,da
parte di ipodensità omogenea.
•
RM encefalo: significativa restrizione
della diffusione che coinvolge
completamente il corpo calloso, la
sostanza bianca sottocorticale frontotemporo-parietale sinistra…moderato
diffuso ampliamento degli spazi liquorali
subaracnoidei per presumibili fenomeni
regressivi.
Immagini FLAIR, scansione A) trasversale e
B) sagittale: La degenerazione è visibile come
iperintensità che coinvolge in A il ginocchio
e lo splenio ed in B l’intero corpo calloso. Si nota
anche modesta atrofia corticale.
Dementia is not only related
to Alzheimer’s disease!
The diagnosis of other forms
depends on the neurologists’
interest and attitute to
identify
the
intimate
mechanisms leading to a large
number of patients with
cognitive disturbancies.
These data will be also useful
for understanding the normal
brain functions.
“Nature is nowhere accustommed more
openly to display her secret mysteres than
in cases where she shows traces after
working apart from the beathen path; nor
is there any better way to advance the
proper practice of medicine than to give
our minds to the discoveries of the usual
law of nature by careful investigation of
causes of rarer forms of diseases. For it has
been found, in almost all things, that what
they contain of useful or applicable is
hardly preceived under we are deprived of
them or they become deranged in some
way”.
The study of rare diseases:
butterfly collecting or an entrèe
to understanding common
conditions?
K. Talbot
Pract. Neurol. 7: 210-211, 2007
.
William Harvey, 1647
Unit Clinical Neurology and Neurometabolic Diseases
Director: A Federico [email protected]
Unit Neurometabolic Diseases
Director: A Federico
Medical staff: C Battisti, MT Dotti, N De
Stefano, A Malandrini, S Palmeri, A. Rufa,
F Sicurelli
Technical staff: C Salvadori, G Berti, E
Cardaioli, P Formichi, GSerni, E Tarquini
Nursing staff: M Giustarini, E Buti, A
Cabras, G Calabresi, I Iacona, A Marchetti,
E Morizzi, D Spazzini
Secretary: E. Mainò
PhD students and fellows: S. Bianchi, P. Da
Pozzo, A. Giorgio, E Radi, ML Stromillo, G
Gallus,
Post-graduate school of Neurology:
Meccanismi di
Neurodenegerazione
Malattie Neurodegenerative
• Le malattie neurodegenerative (MND) sono caratterizzate dalla
progressiva disfunzione e perdita di cellule neuronali e sinapsi in aree
particolarmente vulnerabili del sistema nervoso centrale.
• Nelle diverse MND le popolazioni di neuroni risultano selettivamente
vulnerabili e
• I processi di neurodegenerazione colpiscono settori neuroassonali specifici,
quali il comparto nigrostriatale nei parkinsonismi, la corteccia nei disordini
cognitive o i motoneuroni nei disordini neuromotori.
• Pertanto in una stessa regione cerebrale, la sottopopolazione di neuroni
affetti può essere adiacente ad altre in cui le cellule sono risparmiate.
• Il processo di neurodegenerazione spesso inizia nei siti sinaptici o
nell’assone con un’alterazione della funzionalità e della trasmissione
neuronale.
• La patologia assonale generalmente precede la perdita del corpo cellulare
attraverso un meccanismo “dyng back” in cui la degenerazione si propaga
dall’assone verso il corpo cellulare.
• Tuttavia numerosi elementi addizionali possono essere la causa della morte
selettiva delle cellule neuronali e fattori genetici, ambientali ed aspetti
relativi all’invecchiamento rappresentano i più importanti meccanismi
responsabili del processo di neurodegenerazione
Patogenesi delle malattie
neurodegenerative
• alterazione delle dinamiche
proteiche con formazione di
aggregati;
• stress del reticolo endoplasmatico;
• difetti della degradazione proteica
(sistema ubiquitina-proteasoma e
autofagia);
• stress ossidativo;
• disfunzioni mitocondriali;
• frammentazione dell’apparato del
Golgi neuronale;
• interruzione del trasporto assonale;
• disfunzioni di chaperones
molecolari;
• disfunzione delle neurotrofine;
• processi neuroinfiammatori e
neuroimmuni;
• morte neuronale.
1- ALTERAZIONE DELLE DINAMICHE
PROTEICHE CON FORMAZIONE DI
AGGREGATI
•
•
•
•
•
•
•
Nelle cellule, le popolazioni di proteine sono mantenute in uno stato di equilibrio
dinamico attraverso un complesso network di processi che regolano l’omeostasi proteica,
denominato proteostasi.
La proteostasi comprende diversi pathway che controllano la sintesi, il ripiegamento
(folding), il traffico, l’aggregazione e la degradazione proteica.
Il folding è un processo fisiologico di conversione delle proteine nuovamente sintetizzate
in molecole funzionali.
Esso è controllato da chaperoni molecolari che impediscono l’inappropriato ripiegamento
(misfolding) dovuto alla interazione tra polipeptidi non-nativi e promuovono il corretto
folding di proteine erroneamente ripiegate.
Mutazioni della sequenza genetica o alterazioni dell’ambiente cellulare possono portare
ad un parziale misfolding dello stato nativo della proteina causandone:
1) la perdita di funzione della proteina aberrante (Loss of Function, LOF) che viene
eliminata dai sistemi di controllo cellulari;
2) l’acquisizione di una funzione tossica (Gain of Function, GOF). Infatti non tutte le
proteine aberranti possono essere eliminate e pertanto le forme misfolded possono
aggregarsi formando oligomeri tossici e inclusioni organizzate in strutture fibrillari ben
definite, le cui proprietà sono largamente indipendenti da quelle dei singoli precursori
solubili, e resistenti ai normali meccanismi di clearance cellulare.
• Il progressivo accumulo intracellulare di aggregati proteici può essere
determinato da vari fattori quali anomalie nella sintesi proteica e nelle interazioni
con altre proteine, compromissione del turnover e della degradazione proteica,
alterazioni post-traslazionali delle proteine neosintetizzate, , insufficiente attività
delle proteine chaperones e/o compromissione del trasporto proteico
intracellulare.
• L’accumulo intra- ed extra-cellulare di aggregati proteici insolubili rappresenta
una delle principali caratteristiche patologiche di diverse MND che, proprio a
causa della presenza di alterazioni della conformazione proteica, sono spesso
denominate“malattie da misfolding proteico” o proteinopatie.
• In queste MND sono stati identificati piccoli complessi oligomerici solubili di
proteine misfolded che, anche se caratterizzati da una sequenza completamente
differente, possono ripiegarsi in strutture ricche di ß-sheet simil-amiloidee,
particolarmente inclini a formare aggregati proteici.
• La struttura base degli oligomeri della proteina ß-amiloide (Aß), si ritrova anche
negli oligomeri solubili formati da altre proteine correlate a MND quali αsinucleina (α-sin), proteina tau, huntingtina (Htt) e proteina prionica (PrP). Ciò
suggerisce che differenti proteine capaci di formare aggregati abbiano una
comune caratteristica struttura amiloidea: i disordini ad esse correlati, pertanto,
possono essere raggruppati come amiloidosi cerebrali.
1- ALTERAZIONE DELLE DINAMICHE PROTEICHE
CON FORMAZIONE DI AGGREGATI
•
•
•
•
•
•
Alfa-sinucleina
Proteina tau
Beta-amiloide
Poliglutamine
Proteina Prionica
SOD-1
Figura 2. Rappresentazione
tridimensionale
struttura
secondaria
della
e
terziaria di PrPC (A) e
dell’isoforma patogena PrPSc
(B). In verde sono riportate
le a-eliche, in azzurro i
foglietti β; in giallo le
regioni non strutturate. Si
può osservare il notevole
aumento di strutture β nella
A
B
PrPSc rispetto alla PrPC.
Cambiamenti nel metabolismo di Aβ
• Aumento della produzione di Aβ
• Aumento del rapporto Aβ42/ Aβ40
• Ridotta degradazione e clearance di Aβ
Oligomerizzazione e formazione di
depositi sparsi di Aβ42
Leggeri effetti degli oligomeri Aβ42
sulla funzionalità sinaptica
Risposta infiammatoria (attivazione
della microglia e degli astrociti) e
formazione delle placche amiloidi
Progressivo danno sinaptico e neuronale
Alterazioni dell’omeostasi ionica
neuronale e stress ossidativo
Anomala fosforilazione e
oligomerizzazione di tau con
formazione di neurofibrillary tangles
Diffuse disfunzioni neuronali e morte
cellulare associate con deficit di
neurotrasmettitori
Demenza con patologia a placche e NFT
Figura 1. I cambiamenti graduali nei livelli cerebrali della
proteina Aβ determinano la “cascata amiloide”. I livelli di Aβ
possono aumentare in seguito a un incremento della produzione
o a difetti della clearence. In particolare, mutazioni in tre
differenti geni che causano forme familiari di AD (APP,
presenilina 1 e presenilina 2) possono sbilanciare il rapporto
Aβ42/Aβ40 a favore di Aβ42. L’aumento di Aβ42 favorisce la
formazione degli oligomeri, che causano deficit di trasmissione
sinaptica dapprima lievi e successivamente più gravi.
Contemporaneamente la Aβ42 forma depositi nel parenchima
cerebrale. Man mano che tali depositi si accrescono con fibrille
di Aβ, inizia una locale risposta infiammatoria sotto forma di
microgliosi o astrocitosi. In questa fase si ha anche perdita delle
spine sinaptiche e distrofia dei neuriti. Col tempo questi eventi
determinano un incremento dello stress ossidativo e un’alterata
omeostasi ionica. L’alterata attività delle proteine chinasi e
fosfatasi induce la formazione di NFT e causa danni al trasporto
assonale. La cascata culmina in una diffusa disfunzione
sinaptica e neuronale accompagnata da morte cellulare e con
demenza progressiva.
Tabella 1. Elenco delle malattie da espansione di poliglutammine (triplette CAG)
Malattia
Prodotto genico
Malattia di Huntington (HD)
Numero delle triplette CAG
Siti di
neuropatologia
Principali aspetti clinici
normale
patologico
Huntingtina (Htt)
6-34
36-121
Atassia Spinocerebellare di
tipo 1 (SCA1)
Atassina 1
6-44
39-82
tipo 2 (SCA1)
Atassina 2
15-24
32-200
tipo 3 (SCA3)
M. di Machado-Joseph
Atassina 3
13-36
61-84
tipo 6 (SCA6)
CACNA1A
4-19
10-33
cervelletto, asse
dell'encefalo
Atassia, disartria, nistagmo, tremori
Atassia, cecità, deficit cardiaci nelle
forme infantili
Striato (neuroni
Corea, distonia, deficit cognitivo,
medi spinosi),
problemi psichiatrici
corteccia cerebrale
corteccia
cerebellare (cellule
Atassia, spasticità, difficoltà nel
del Purkinje),
linguaggio, problemi cognitivi
nuclei dentati
cervelletto, nuclei
Atassia, polineuropatia, diminuzione dei
pontini, substantia
riflessi, variante infantile con retinopatia
nigra
substantia nigra,
globo pallido, nuclei
Atassia, parkinsonismo, spasticità
pontini
tipo 7 (SCA7)
Atassina 7
4-35
37-306
fotorecettori e
cellule bipolari della
corteccia
cerebellare
tipo 12 (SCA12)
Proteina fosfatasi
PP2A (subunità
regolatoria)
7-32
41-78
corteccia,
cervelletto
Atassia, tremore, parkinsonismo,
demenza
tipo 17 (SCA17)
Proteina TATAbinding
25-42
47-63
cellule del Purkinje
Atassia, declino cognitivo,epilessia,
problemi psichiatrici
Atrofia Muscolare
Spinobulbare (SBMA)
di Kennedy
Atrofia Dentatorubropallidoluysiana (DRPLA)
M.
Proteina recettore
degli androgeni
9-36
38-62
neuroni motori
(cellule del corno
difficoltà motorie, difficoltà di
anteriore, neuroni deglutizione, ginecomastia, diminuita
bulbari), gangli delle
fertilità
radici dorsali
Atrofina
7-34
49-88
globo pallido, nuclei
rubrodentato e Atassia, epilessia, coreoatetosi, demenza
subtalamico
La forma mutata della proteina SOD1 e la forma wild-type misfolded adottano una conformazione similare che tende a oligomerizzare per la
formazione di ponti di solfuro anomali fra le Cys 6 e la Cys 111 di monomeri differenti. La proteina SOD1 wild type può oligomerizzare solo in
assenza di legame con gli ioni metallici poiché solo in questo caso si possono formare gli anomali legami disolfuro. Infatti solo la forma metal
free, parzialmente misfolded, ha una flessibilità strutturale tale da assumere conformazioni che tendono facilmente ad oligomerizzare, mentre il
legame ai metalli rende la struttura rigida e incapace di formare oligomeri. La proteina misfolded sembra sfuggire ai normali processi di
degradazione e gli aggregati possono esercitare la loro tossicità direttamente, agendo sulla respirazione mitocondriale o sul trasporto assonale, o
indirettamente danneggiando i sistemi di degradazione proteica.
Cu++
Zn++
SOD1 wild type
Forma metal-free
SOD1 mutata
SOD1 misfolded
Oligomeri e pre-aggregati
TOSSICITA’
Aggregati
Interazioni fra le proteine
• La composizione molecolare degli aggregati proteici, la loro localizzazione in
specifiche regioni del cervello e tipi cellulari, sono segni caratteristici delle
diverse malattie neurodegenerative, tuttavia numerose evidenze sembrano
suggerire che alla base di questi disordini vi possano essere meccanismi
patogenetici simili
• Negli ultimi anni è stato messo in evidenza la possibilità di interazioni tra
proteine dissimili che mostrano una struttura ricca di ß-sheet, soprattutto tra le
loro forme oligomeriche, che possono promuovere in maniera sinergica la loro
aggregazione. Esempi di strette e importanti interazioni sono state riportate fra
le proteine α-sin, tau e Aß .
• Un legame diretto tra la α-sin e tau è stato evidenziato dalla presenza di un
accumulo di ambedue le proteine all’interno delle terminazioni sinaptiche nel
tessuto cerebrale di pazienti con AD e dalla dimostrazione di una loro colocalizzazione sia nelle NFT che nei corpi di Lewy (LB).
• Interazioni in vivo tra le proteine tau e α-sin sono avvalorate anche da studi
genetici che mostrano uno stretto legame fra il gene MAPT, che codifica per la
proteina tau, e un aumentato rischio di forme sporadiche di PD.
• E’ stato suggerito che PD e AD potrebbero essere legate da una via comune in
cui l’aumentata attivazione della caspasi e la conseguente formazione di Δtau,
determinerebbero progressivo accumulo intracellulare di p-tau e α-sin
responsabili della alterata deposizione della Aß.
Varianti miste
(PSP + LBs)
Malattia di
Parkinson
Demenza con NFTs
PSP
CBD
Corpi di
Lewy
NFTs
PDD,
DLB + AD
DLB
Aβ,
placche senili
Invecchiamento
patologico
Malattia di
Alzheimer
2- STRESS DEL RETICOLO ENDOPLASMATICO
• Il reticolo endoplasmatico (RE) è estremamente importante per
la sintesi, il folding e le modifiche post-traslazionali delle
proteine secretorie e di membrana e il danno a queste funzioni
costituisce uno stato patologico noto come stress del RE.
• Lo stress del RE innesca un programma adattativo chiamato
Unfolded Protein Response (UPR) che combina l’inibizione
della sintesi proteica con l’attivazione dei geni che promuovono
il folding o l’eliminazione delle proteine aberranti.
• Quando tuttavia la condizione di stress del RE è troppo intensa o
prolungata, la cellula va incontro a un meccanismo di morte
cellulare per apoptosi
I tre più importanti pathways di risposta allo stress dell’ER. (1) Le proteine misfolded sono rimosse dall’ER
verso il citoplasma dove sono degradate attraverso il sistema ubiquitina proteasome. (2) UPR: Unfolded Protein
Response. Questo meccanismo riduce le proteine misfolded presenti nel lume dell’ER attraverso la regolazione
di proteine chaperone che controllano e regolano il folding delle proteine.(3) Induzione dell’apoptosi. Se lo
stress dell’ER si protrae per un certo periodo di tempo, viene innescato un meccanismo di eliminazione cellulare
programmato
• La UPR è particolarmente importante nei neuroni che, non potendo “diluire” le
proteine misfolded attraverso cicli continui di replicazione, dipendono
esclusivamente da questo processo per evitare l’accumulo di tali proteine
misfolded.
• Ad oggi la presenza più massiccia di markers dell’attivazione dell’UPR è
osservata nell’AD e in molti tipi di demenza frontotemporale (FTD) infatti le
forme attive di alcune delle principali proteine coinvolte nella UPR, sono state
ritrovate nei neuroni di pazienti con taupatie. Inoltre mutazioni dell’Aß e della
Presenilina1, una proteina coinvolta nel processamento della Aß, possono
indurre una condizione di stress del RE.
• Un ruolo dello stress del RE è stato evidenziato anche nel PD infatti la Parkina,
una proteina legata a forme familiari di PD, è localizzata nel RE ed è
sovraespressa durante la UPR.
• Inoltre la sovraespressione di α-sin può determinare stress del RE e gli
oligomeri di α-sin mutata sembrano accumularsi in questo compartimento
innescando la UPR.
• Infine nell’HD l’accumulo citoplasmatico di htt può innescare la UPR e
provocare stress del RE. L’htt mutata si lega a componenti del pathway di
degradazione proteica associato al RE (ER-associated degradation, ERAD)
rendendoli indisponibili per ulteriori processi di degradazione e detossificazione
e impedendo ai neuroni di far fronte ad altri stress dovuti alla presenza di
proteine misfolded
3-DIFETTI DELLA DEGRADAZIONE PROTEICA
Il sistema ubiquitina-proteasoma
•
•
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•
•
Il sistema ubiquitina-proteasoma (UPS) è uno dei principali sistemi non-lisosomiali di
regolazione del turnover delle proteine e rappresenta la più importante via per la
degradazione di proteine con emivita breve e di proteine regolatrici.
L’UPS consiste di un pathway multienzimatico localizzato principalmente a livello del
RE. Inizialmente molecole di Ubiquitina (Ub) si legano alle proteine da eliminare tramite
un processo multi-step dipendente dal consumo di ATP. Successivamente le proteine così
marcate sono processate dal proteasoma, un complesso polienzimatico che prima rimuove
i residui di ubiquitina dalle proteine stesse e quindi le degrada.
L’UPS è attivato in condizioni quali stress ossidativo, errori del clivaggio delle proteine e
alterazioni dello splicing.
L’UPS rappresenta il punto in cui si determina se il fato di una proteina tossica sarà
quello di essere degradata o impacchettata in inclusioni cellulari, strategia ultima tramite la
quale le cellule “organizzano” le proteine danneggiate.
La riduzione dell’attività dell’UPS è un evento frequente nelle maggiori patologie
dell’invecchiamento dove il blocco del processo di degradazione proteica favorisce la
progressiva formazione degli aggresomi nei quali sono sequestrate le proteine misfolded
potenzialmente tossiche. Infatti le proteine aggregate, relativamente refrattarie alla
degradazione, sono trasportate ai centrosomi dove vengono incapsulate da filamenti
intermedi per formare queste larghe strutture citoprotettive con aumentata attività
proteolitica.
• La deregolazione dell’UPS è stata ampiamente correlata alla
patogenesi di varie malattie neurodegenerative.
• Nell’AD, la funzione del proteasoma risulta fortemente
diminuita in diverse regioni del cervello dei pazienti. benché le
proteine tau e ßA non sembrano essere bersagli diretti del
proteasoma, l’Ub è una componente dei PHFs e che forme
mutate di questa proteina si accumulano nel cervello di pazienti
e colocalizzano con le placche amiloidi e le NFTs.
• Infine nell’HD è stato dimostrato che l’htt mutata da un lato è
degradata dal proteasoma, dall’altro sembra inibirne la funzione.
Comunque molte proteine con espansione di triplette sono
resistenti alla proteolisi da parte dell’UPS e questo può essere la
causa del loro accumulo all’interno delle cellule affette
Autofagia e neurodegenerazione
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L’autofagia è un processo catabolico essenziale, complementare all’UPS, che gioca un ruolo
cruciale nel mantenimento dell’omeostasi cellulare attraverso la degradazione di materiale
citoplasmatico danneggiato, così come organelli malfunzionanti, proteine misfolded ed aggregati
proteici.
In condizioni fisiologiche l’autofagia permette alle cellule di sopravvivere durante condizioni di stress
attraverso il riciclo di prodotti degradati necessari per la produzione di energia e la sintesi di
macromolecole.
L’induzione dell’autofagia è generalmente controllata dalla proteina mTOR chinasi (mammalian Target
of Rapamycin), la cui espressione è regolata dal livello di fattori di crescita e nutrienti.
Esistono almeno tre meccanismi di autofagia, chiamati macroautofagia, microautofagia e chaperonemediated autofagia (CMA).
Nella microautofagia piccole porzioni di citoplasma nei dintorni del lisososoma vengono inglobate
attraverso l’invaginazione della membrana lisososomiale e digerite all’interno del lume.
Nella CMA le proteine citosoliche contenenti il dominio amminoacidico KFERQ sono selettivamente
riconosciute ed inglobate nel lisosoma.
La macroautofagia media la degradazione su larga scala di costituenti citoplasmatici. Durante questo
processo una invaginazione della membrana lisosomiale crea una struttura delimitata da una doppia
membrana chiamata pre-autofagosoma che sequestra una regione del citoplasma per formare un
autofagosoma. Il materiale citoplasmatico sequestrato viene digerito quando i lisosomi o i late endosomi
si fondono con la membrana esterna degli autofagosomi .
Un gruppo di circa 35 geni detti autophagy related genes (Atg) regolano il pathway autofagico.
• Una forma specifica dell’autofagia di particolare
importanza è l’autofagia mitocondriale detta mitofagia,
meccanismo cellulare di difesa nei confronti di
mitocondri danneggiati.
• I lisosomi sequestrano e successivamente degradano i
mitocondri malfunzionanti prima che essi attivino i
pathway di morte cellulare.
• In risposta ad uno stesso stimolo i mitocondri stessi
possono attivare sia la mitofagia che la morte cellulare,
due meccanismi cellulari opposti altamente regolati, il
cui equilibrio è fondamentale per determinare la vita o la
morte della cellula.
Substrato proteico
MACROAUTOFAGIA
Endosomi tardivi
Pre-autofagosoma
Corpi multivescicolari
Lisosoma
Autofagosoma
dominio KFERQ
MICROAUTOFAGIA
CHAPERON-MEDIATED AUTOFAGIA
Figura 6. Differenti tipi di autofagia. La microautofagia consiste nel sequestro dei componenti citoplasmatici tramite
l’invaginazione della membrana esterna del lisosoma. Nella macroautofagia, il materiale viene sequestrato all’interno di una
vescicola citoplasmatica circondata da una doppia membrana, l’autofagosoma. Il sequestro può essere aspecifico, con
l’inglobamento di porzioni di citoplasma, o selettivo tramite il riconoscimento specifico di organelli o microorganismi estranei.
L’autofagosoma si fonde con gli endosomi o i lisosomi, che contengono le idrolasi necessarie per la lisi della membrana interna e
del contenuto dell’autofagosoma. Le molecole che risultano da questo processo sono rilasciate nel citosol attraverso permeasi di
membrana. La CMA vede la diretta traslocazione delle proteine unfolded attraverso la membrana del lisosoma grazie all’azione
della chaperon lisosomale e citosolica hsc70 e del recettore integrale di membrana LAMP2A.
4- STRESS OSSIDATIVO E FORMAZIONE DI
RADICALI LIBERI
• Le specie reattive dell’ossigeno (ROS) sono molecole chimicamente molto
reattive che contengono ossigeno e vengono prodotte principalmente a livello
dei mitocondri in tutti i tipi di cellula in conseguenza della normale attività
metabolica.
• Tutti gli organismi hanno evoluto risposte adattative alla sovrapproduzione di
ROS, che consistono in enzimi difensivi, chaperones molecolari e molecole
antiossidanti.
• Una eccessiva produzione di ROS e il conseguente sbilanciamento dello stato
redox della cellula possono procurare un danno alle molecole biologiche e iniziare
una cascata di eventi che determina l’ossidazione non selettiva di proteine,
carboidrati, acidi nucleici e lipidi.
• Le cellule che non riescono a compensare il danno ossidativo vanno incontro a una
rapida morte per apoptosi, mentre quelle con sufficienti meccanismi compensatori
possono sopravvivere più a lungo.
• Una delle maggiori fonti di ROS per le cellule sono i mitocondri poiché questi
organelli contengono trasportatori redox e complessi enzimatici che possono
perdere elettroni facendoli confluire all’ossigeno con formazione di anione
superossido. Proprio a causa di questa costante produzione di radicali liberi, i
mitocondri sono dotati, nella loro matrice, di sistemi antiossidanti particolarmente
efficienti
Rappresentazione schematica delle diverse disfunzioni cellulari che possono
condurre alla aumentata produzione di ROS e alla conseguente neurodegenerazione.
Misfolding proteico, disfunzioni del proteasoma, attivazione del sistema
immunitario e insulti ambientali possono determinare un aumento dello stress
ossidativo che induce la morte cellulare responsabile della neurodegenerazione.
DISFUNZIONI MITOCONDRIALI
Disfunzioni del
proteasoma
Stress
ambientali
ROS
Misfolding
proteico
Attivazione delle
cellule gliali
MORTE
CELLULARE
NEURODEGENERAZIONE
• Molti ROS si formano da H2O2 e metalli di transizione e tra le varie
specie tossiche il radicale idrossile (OH∙) e lo ione perossinitrito
(ONOO-) sono quelle che possono danneggiare maggiormente le
cellule.
• L’alterazione dell’omeostasi dei metalli, principalmente ferro o rame,
determina un aumento della produzione di radicali liberi, in particolare
il ferro è capace di causare danno ossidativo generando radicali attivi
da H2O2 e perossidi lipidici.
• In molte malattie neurodegenerative è stata trovata una aumentata
produzione di “prodotti finali della glicosilazione avanzata” (AGE),
cioè prodotti dell’ossidazione degli zuccheri legati a proteine.
• Gli AGE rappresentano un marker di stress ossidativo indotto da
metalli di transizione e inoltre inducono la formazione di legami
crociati tra proteine e ROS, pertanto possono rispecchiare cambiamenti
patologici precoci piuttosto che semplici epifenomeni.
• Il cervello umano, a causa del suo elevato fabbisogno di ossigeno, è
soggetto a una elevata produzione di ROS ed infatti lo stress ossidativo
è coinvolto nella patogenesi di molte malattie neurologiche.
• Il doppio strato lipidico delle cellule neuronali, molto ricco in acidi
grassi polinsaturi, è particolarmente soggetto alla perossidazione
lipidica, fenomeno che infatti è stato riscontrato in molte malattie
neurodegenerative.
• Il maggior coinvolgimento dello stress ossidativo nelle malattie
neurodegenerative è stato riscontrato nel PD dove analisi di tessuti
autoptici hanno dimostrato un aumento del danno ossidativo a zuccheri,
proteine, lipidi e acidi nucleici.
• La disfunzione e l’accumulo dell’α-syn determinano la formazione di
oligomeri tossici che interferiscono con il RE, l’apparato del Golgi e il
turnover mitocondriale, generando stress ossidativo.
• Inoltre è stato dimostrato che forme nitrate di α-syn si accumulano nei
corpi di Lewy di cellule PD e che le cellule gliali della substantia nigra
mostrano livelli elevati di ossido nitrico suggerendo che nel PD vi sia
una anomala produzione di specie reattive dell’azoto.
• Il reperimento di livelli significativamente elevati di perossidazione
lipidica, ossidazione di proteine e DNA osservati nei cervelli di pazienti
AD supporta l’ipotesi che la tossicità della Aß possa essere legata anche
alla sua capacità di formare perossido di idrogeno e radicali liberi.
• Il danno ossidativo a DNA e RNA tra l’altro è particolarmente severo
nell’ippocampo, l’area coinvolta più precocemente e più gravemente
nella patogenesi della malattia.
• I metalli possono essere cruciali nel mediare la tossicità della Aß e nel
conseguente sviluppo dell’AD. L’Aß sembra infatti in grado di ridurre i
metalli con alta attività redox determinando la formazione di H2O2 e
peptide amiloide ossidato.
• A conferma di ciò all’interno delle placche amiloidi è stato individuato
un contenuto di ferro, rame e zinco molto maggiore rispetto ai tessuti
circostanti. Inoltre i neuroni dei pazienti AD mostrano una percentuale
molto più alta di mitocondri danneggiati rispetto a quelli dei soggetti di
controllo : il precoce malfunzionamento mitocondriale e la presenza di
stress ossidativo nell’AD possono precedere la sovrapproduzione e
deposizione di Aß che a sua volta contribuisce ad un ulteriore aumento
dello stress ossidativo e della neurodegenerazione
•
•
•
•
•
•
5- DISFUNZIONI
MITOCONDRIALI
I mitocondri sono organelli citoplasmatici essenziali per le funzioni e le sopravvivenza
delle cellule neuronali grazie alla produzione di ATP e alla regolazione dell’omeostasi del
calcio. I mitocondri forniscono energia alla cellula tramite la fosforilazione ossidativa,
sintetizzano molecole chiave per il metabolismo e sono coinvolti nel controllo di ciclo,
sviluppo e morte cellulare.
L’attività respiratoria e l’efficienza metabolica dei mitocondri sono regolate da un
complesso sistema di equilibrio fra due meccanismi fondamentali per la dinamica
mitocondriale, la fusione e la fissione.
Durante la fosforilazione ossidativa nel mitocondrio viene prodotto un livello fisiologico
di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e ioni superossido pari al 2% dell’ossigeno totale
consumato dai mitocondri e per questo motivo i mitocondri contengono un efficiente
sistema di difesa antiossidante capace di bilanciare la produzione di ROS.
La presenza di un danno mitocondriale diminuisce l’efficienza del sistema di difesa
antiossidante, incrementando il livello di radicali liberi ed innescando un circolo vizioso
dove i ROS prodotti danneggiano ulteriormente il mitocondrio inducendo un ulteriore
produzione di radicali liberi e una minore efficienza antiossidante.
L’aumento della produzione di ROS promuove un accumulo eccessivo di Ca2+,
frammentazione mitocondriale, diminuzione nella quantità ed efficienza dei mitocondri,
causando la dissipazione del potenziale di membrana mitocondriale, l’apertura dei pori per
la permeabilità mitocondriale, il rilascio nel citoplasma del citocromo c (cit c) ed infine la
morte per apoptosi.
Mutazioni del genoma mitocondriale, difetti della dinamica dei mitocondri, e fattori
ambientali, possono verosimilmente essere associati anch’essi all’esordio di MND
AD
PD
HD
Parkina, α-syn,
PINK-1, DJ-1
htt
Atassia di Friedreich
ALS
frataxina
Cu/ZN-SOD
Aß
Blocco della permeabilità della membrana mitocondriale
Mitocondrio
ROS
Deplezione dell’ ATP
Alterato trasporto della catena
respiratoria
Danno al mtDNA /mutazioni
Citocromo c, AIF, Ca2+
APOPTOSI
aumento dei ROS
riduzione dell’attività della catena respiratoria
sensore/scavanger di
stress ossidativo
serina proteasi
fattore pro-apoptotico
regolazione della fusione/fissione mitocondriale (con PINK1)
riduzione dello stress ossidativo
protezione contro la morte cellulare
chinasi serina-treonina
protezione contro stress ossidativo e apoptosi
regolazione della fusione/fissione mitocondriale
(con Parkina)
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•
•
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6- FRAMMENTAZIONE DELL’APPARATO
DEL GOLGI NEURONALE
Nei neuroni, l’apparato del Golgi (GA) è coinvolto nelle modificazioni posttranslazionali di lipidi e proteine e nel flusso assoplasmico di numerose macromolecole
endogene ed esogene trasportate attraverso la via ortograda, retrogada e transsinaptica.
Il GA è un organello altamente dinamico sensibile al traffico vescicolare e al controllo
del ciclo cellulare.
La membrana del GA è continuamente coinvolta in numerosi processi di fusione e
fissione e l’organello può cambiare rapidamente la propria forma, fino al
disassemblaggio e riassemblaggio. I fattori che determinano questi profondi
cambiamenti morfologicici sono diversi, fra i quali condizioni patologiche, la
sovraespressione delle proteine associate al Golgi e agenti farmacologici.
In molte MND il GA neuronale mostra diversi cambiamenti morfologici e risulta
disconnesso e più piccolo del normale, con un ridotta capacità di associarsi al RE
rugoso e una localizzazione anomala intorno al nucleo.
Dall’esame del tessuto cerebrale umano e di modelli animali affetti da MND è stato
osservato una evidente frammentazione del GA già nelle fasi precoci della malattia o
nella fase preclinica della neurodegenerazione.
In particolare tale fenomeno è un segno caratteristico riscontrato in AD, SLA, Malattia
di Creutzfeldt-Jacob, Atrofia Sistemica Multipla, PD, Atassia Spinocerebellare di tipo 2
(SCA2), Malattia di Niemann Pick tipo C (NPC) (13).
•
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7- ALTERAZIONE DEL TRASPORTO
La perdita della connettività
neuronale costituisce un evento patologico critico in molte
CELLULARE/ASSONALE
MND. L’assenza della sintesi proteica nell’assone e la grande distanza che separa il
corpo cellulare dall’assone e dal dominio sinaptico, rappresentano criticità uniche della
cellula nervosa.
Il trasporto e il trasferimento delle proteine di membrana e dei componenti lipidici
attraverso l’assone rappresenta un processo chiamato trasporto assonale (TA), essenziale
per le appropriate funzioni dell’assone e della sinapsi.
I materiali necessari per il mantenimento e per le funzioni dell’assone e della sinapsi
sono trasportati dal sito di sintesi nel corpo cellulare alla periferia da un meccanismo
molecolare chiamato trasporto anterogrado e basato sui microtubuli e su un gruppo di
ATPasi dette chinesine.
Queste ultime sono particolarmente importanti nel movimento degli organelli circondati
da membrana, come mitocondri, vescicole sinaptiche e precursori assolemmali.
Il mantenimento e la sopravvivenza cellulare richiedono anche un ritorno dalla periferia
dell’assone verso il corpo cellulare dei complessi proteici implicati nei pathways di
segnale e
Questo movimento inverso, definito trasporto retrogrado è regolato dal complesso
proteico citoplasmatico della dineina.
La fosforilazione dei complessi proteici responsabili del movimento molecolare ha un
ruolo fondamentale nella regolazione dei meccanismi del TA pertanto i neuroni sono
cellule profondamente dipendenti da tale meccanismo di segnale
I microtubuli costituiscono i binari per il trasporto assonale. Le vescicole di trasporto sono indirizzate verso i
terminali nervosi e/o il corpo cellulare grazie a proteine motrici. In particolare le vescicole presenti nel terminale
assonico permettono l’assunzione e il successivo trasporto assonale dei fattori trofici. Mutazioni delle proteine motrici
(dinactina, dineina e chinesine) provocano la degenerazione dei neuroni motori. Anche il danno ai neurofilamenti,
causato da mutazioni o cambiamenti nello stato di fosforilazione e nella struttura fisica dell’assone, può inficiare il
trasporto assonale.
CORPO CELLULARE
ASSONE
assunzione
rilascio
Nucleo
Trasporto retrogrado
ER
vescicole
Sintesi e trasporto di
vescicole e proteine
SINAPSI
Trasporto anterogrado
Complesso dineina-dinactina
(trasporto retrogrado)
Mitocondri
cargo anterogrado
Chinesine
(trasporto anterogrado)
Microtubuli
cargo retrogrado
Fattori neurotrofici
Neurofilamenti
Selected genes involved in mitochondrial dynamics
8-AZIONE E MUTAZIONI DI CHAPERONES
MOLECOLARI
•
•
•
•
•
•
•
•
Gli chaperones molecolari rivestono un ruolo essenziale nei processi di folding e
degradazione proteica nelle cellule di mammifero.
Sono proteine ubiquitarie indotte in condizioni di stress, efficaci nel ridurre il misfolding di
molte proteine direttamente responsabili della patogenesi di MND.
Inoltre gli chaperones inibiscono la formazione di depositi amiloidogenetici nello spazio
extracellulare e proteggono la cellula nei confronti dei danni da stress ossidativo.
Nelle più importanti MND è stato evidenziato il coinvolgimento di un particolare gruppo di
chaperones molecolari, le Heat Shock Proteins (HSPs).
Studi in-vitro e in modelli animali di AD hanno mostrato che la diretta interazione tra alcune
HSP (HSP 28, 70, 72) con il peptide Aβ, potrebbe influenzare la deposizione degli aggregati
tossici di Aβ.
La HSP70 ha un ruolo anche nelle forme familiari di SLA dove è in grado di ridurre
l’aggregazione della proteina SOD1 mutata e diminuirne la tossicità.
È molto probabile che gli chaperones molecolari facilitino la neuroprotezione non solo tramite
i loro effetti sull’aggregazione delle proteine ma anche interferendo con i meccanismi di stress
ossidativo e bloccando i pathway apoptotici .
9- DISFUNZIONE DELLE NEUROTROFINE
• La ridotta disponibilità di neurotrofine potrebbe rappresentare un fattore
determinante nella patogenesi di molte malattie neurodegenerative e forme di
demenza.
• Le neurotrofine regolano lo sviluppo e il mantenimento del sistema nervoso
dei vertebrati, influenzano la sopravvivenza dei neuroni, la funzione e la
plasticità sinaptica.
• Le neurotrofine determinano un’attivazione dei meccanismi antiossidanti infatti
in alcuni disordini del SNC quali AD, PD e HD, lo stress ossidativo sembra
invariabilmente legato alla mancanza di un adeguato supporto neurotrofico e in
grado di provocare esso stesso una diminuita produzione di fattori neurotrofici.
• Uno studio su modelli murini di AD ha suggerito che il livello di aggregazione
del peptide Aβ agisca diminuendo l’espressione di Brain Derived Neurotrophic
Factor (BNDF), Il quale mostra un effetto protettivo sui neuroni corticali.
• Nel PD, il contenuto ridotto di neurotrofine e dei loro recettori nel sistema
nervoso supporta l’ipotesi di una riduzione di fattori neurotrofici e di una
alterazione assonale nelle fasi precoci della malattia che successivamente porta
alla morte dei neuroni dopaminergici
•
•
•
•
•
10-PROCESSI
DI NEUROINFIAMMAZIONE
La presenza
di una reazione infiammatoria
cronica e l’attivazione del sistema immunitario
nel sistema nervoso centrale, rappresentata da un aumentata espressione del complesso di
istocompatibilità di classe II (MHC), delle reazioni gliali, delle infiltrazioni di linfociti T e
delle disfunzioni della barriera ematoencefalica, sono caratteristici segni coinvolti nella
patogenesi e nella progressione delle MND.
Nell’AD sono stati descritti diversi segni di meccanismi neuroinfiammatori quali
l’attivazione della microglia e degli astrociti, dei pathway classico ed alternativo del
sistema del complemento, nonchè la presenza di citochine e chemochine “proinfiammatorie”.
È stato dimostrato che l’attivazione della microglia e degli astrociti può generare la proteina
Aß, che a sua volta agisce come fattore pro-infiammatorio inducendo l’attivazione della
microglia stessa e di molti componenti della cascata infiammatoria.
Nel PD, la degenerazione dei neuroni della substantia nigra è accompagnata da una
reazione gliale responsabile del rilascio di citochine pro-infiammatorie, dall’incremento di
ossido nitrico e dello stress ossidativo. Dati recenti riportano che le proteine collegate a
forme familiari di PD, come la parkina e l’α-sin, possono avere un importante ruolo nel
mediare l’attivazione della microglia.
Numerosi interrogativi sono stati posti comunque sul vero significato patogenetico del
processo di attivazione della microglia, meccanismo che può avere senza dubbio un effetto
neurotossico ma che, in funzione di diversi fattori compresa l’età, potrebbe avere un’attività
neuroprotettiva. La microglia rappresenta le cellule di tipo immunitario del cervello ed è
associata ad una azione continua e costante di clearence dei detriti cellulari. Questo
processo rappresenta un legame essenziale tra degenerazione e rigenerazione. Un’ attività di
clearence insufficiente da parte della microglia, presente in diverse MND e
nell’invecchiamento, è associata ad una inadeguata risposta rigenerativa
•
•
•
•
•
•
LA MORTE NEURONALE: IL PATHWAY
FINALE
Molte MND sono caratterizzate dall’alterazione dei processi di morte cellulare: infatti i
neuroni vanno incontro a diverse forme di delezione in relazione al tipo e alla gravità degli
stress a cui sono soggetti.
La regolazione della morte neuronale è un meccanismo estremamente complesso che
dipende dal tipo di insulto ricevuto e da elementi quali i livelli di Ca2+ e lo stato energetico
cellulare, la funzionalità mitocondriale, la presenza di neurotrofine, la presenza di stress
ossidativo e di vari fattori ambientali.
Tra i meccanismi di morte neuronale, i principali sono l’apoptosi, la necrosi e la
degenerazione autofagica.
Da un punto di vista morfologico l’apoptosi è caratterizzata da condensazione della
cromatina (picnosi), frammentazione nucleare, contrazione del citoplasma e
frammentazione in corpi apoptotici circondati da membrana. Questi ultimi sono
immediatamente fagocitati dalle cellule adiacenti senza che abbia origine una risposta
infiammatoria.
L’apoptosi quindi avviene localmente e senza danneggiare le cellule circostanti, in
contrasto alla necrosi che è caratterizzata da un rapido rigonfiamento della cellula e dalla
rottura della membrana plasmatica con l’attivazione di una forte risposta infiammatoria e
danno al tessuto circostante.
Sono state descritte due principali vie molecolari di morte cellulare per apoptosi, la via
“estrinseca”, mediata dal recettore TNF, e la via “intrinseca” mediata dai mitocondri.
Tuttavia i mitocondri sono essenziali per il controllo di ambedue i pathways apoptotici
grazie al rilascio del cit c e di altri fattori proapoptotici come l’Apoptosis Inducing Factor
(AIF).
• Nella membrana mitocondriale si localizza la famiglia di proteine Bcl-2, che
costituisce un checkpoint critico dell’apoptosi in quanto influisce sulla
permeabilizzazione della membrana esterna del mitocondrio controllando il
rilascio nel citoplasma di fattori apoptotici.
• Molte delle differenze morfologiche tra apoptosi e necrosi sono imputabili alle
caspasi, una famiglia di cisteina proteasi molto conservate da un punto di vista
evolutivo. Le caspasi sono sintetizzate come zimogeni inattivi (procaspasi) e
vengono attivate tramite taglio proteolitico a seguito di stimoli pro-apoptotici.
L’enzima maturo può avere funzione di iniziatore del processo o di esecutore, in
questo secondo caso clivando numerosi substrati cellulari (Fig. 11).
• La necrosi è stata considerata a lungo come una forma di morte cellulare
accidentale e incontrollata che avviene solo in particolari circostanze patologiche.
In realtà nuove evidenze hanno suggerito che la morte cellulare per necrosi può
essere un processo specificatamente regolato da una serie di pathways di
trasduzione del segnale e meccanismi catabolici denominato “necroptosi”.
• Infine la morte cellulare con autofagia è caratterizzata da formazione di numerosi
vacuoli autofagici, endocitosi, accrescimento del GA in risposta a una maggior
necessità di lisosomi, moderata condensazione della cromatina che viene eliminata
dagli autofagosomi. Tale processo di morte cellulare probabilmente rappresenta il
fallimento di un meccanismo fisiologico di neuroprotezione.
Segnali di stress
Recettore Fas
famiglia Bcl-2
caspasi-8
Citocromo c
caspasi-3
Procaspasi-9
Apaf-1
Apoptosoma
APOPTOSI
caspasi-9
Pathway estrinseco
Pathway intrinseco
. Rappresentazione schematica dei due
principali meccanismi di attivazione della
morte cellulare per apoptosi. La via
intrinseca o “via mitocondriale” viene
innescata da molteplici segnali di stress
quali il danno al DNA, i raggi UV o
gamma, la diminuzione dei fattori di
crescita, gli stress genotossici, che danno
origine ad una complessa catena di eventi
determinando la permeabilizzazione della
membrana esterna del mitocondrio il
conseguente rilascio del citocromo c. Il
rilascio del citocromo c nel citosol induce
la formazione dell’apoptosoma, un
complesso multimerico composto dalla
proteina Apoptotic Protease Activating
Factor-1 (Apaf-1), la cui funzione è quella
di attivare la procaspasi-9, che a sua volta
causerà l’attivazione della caspasi
effettrice-3. La via estrinseca o “via
mediata dai death receptors” induce il
segnale apoptotico in seguito al
coinvolgimento di alcuni recettori
transmembrana che si legano al loro
ligando intracellulare formando un
complesso che permette l’attivazione della
caspasi-8 che a sua volta attiva la caspasi-3.
La caspasi-8 è in grado di attivare la
proteina Bid che si sposta dal citoplasma al
mitocondrio dove interagisce con alcuni
fattori proapototici appartenenti alla
famiglia Bcl-2.
• Numerosi dati recenti sulle MND hanno mostrato che le cellule
morte o morenti possono esibire simultaneamente caratteristiche
morfologiche di uno o più tipi di meccanismi di morte.
• La cellula, in risposta ad un insulto che può essere esterno
(molecole tossiche) o interno (inappropriata aggregazione
proteica intracellulare), modifica sostanzialmente le proprie
strutture e funzioni.
• In seguito, se le normali condizioni cellulari non vengono
ripristinate, la cellula mette in atto una risposta di secondo
livello che coinvolge l’attivazione di pathways di segnale a
monte e a valle dei mitocondri che possono determinare
l’interazione fra varie forme di morte cellulare programmata
Stimoli di morte
(interni ed esterni)
Risposta primaria
alterazione delle funzioni
e strutture cellulari
Risposta secondaria
DECISIONE
attivazione di pathways intracellulari
mitocondri
Perdita di ΔΨm/ATP
stress del ER
UPS
Aumento ROS
Inibizione caspasi
e Bax
NECROSI
Sopravvivenza
APOPTOSI
AUTOFAGIA
NECROSI
programmata
Mitochondria and Hungtington D
• Complex II activity is decreased in the HD
brain, and the complex-II inhibitor 3nitropropionic acid induces striatal
degeneration and movement disorder in
rodents and primates.
• Overexpression of complex-II subunits
reduces cell death in striatal neurons
expressing mutant HTT.
• Mutant HTT associates with the OMM and
increases sensitivity to calcium-induced
cytochrome c release. Mutant HTT also
translocates to the nucleus, where it binds
and increases the level and transcriptional
activity of p53.
• p53 activates the pro-apoptotic protein BAX,
either directly or by increasing expression of
BH3-only Bcl-2 family members NOXA
and PUMA.
• In mice, knockout of Pgc-1 or a missense
mutation in Htra2 causes involuntary
movements and striatal degeneration.
•
•
•
Mutant huntingtin (mtHtt) might
cause mitochondrial dysfunction by
either perturbing transcription of
nuclear-encoded mitochondrial
proteins or by direct interaction
with the organelle and modulation
of respiration, mitochondrial
membrane potential and Ca(2+)
buffering.
In addition, mtHtt might convey its
neurotoxicity by evoking defects in
mitochondrial dynamics, organelle
trafficking and fission and fusion,
which, in turn, might result in
bioenergetic failure and HD-linked
neuronal dysfunction and cell death.
Finally, mitochondria might dictate
selective vulnerability of long
projection neurons, such as medium
spiny neurons, which are
particularly affected in HD.
Mutant huntingtin and mitochondrial dysfunction.
Bossy-Wetzel E, Petrilli A, Knott AB.
Trends Neurosci. 2008 Dec;31(12):609-16.
Mitochondria and Alzheimer
•
•
•
•
•
In AD, mitochondrial ROS generation and
inhibition of energy metabolism increase A
levels in cells and transgenic mice, and A
can interact with mitochondria and cause
mitochondrial dysfunction.
A inhibits complex IV and -ketoglutarate
dehydrogenase (KGD), and binds A binding alcohol dehydrogenase (ABAD).
Both KGD and ABAD produce ROS (white
stars).
Amyloid precursor protein (APP) may be
targeted to the OMM and interfere with
protein import.
Mitochondria have also been reported to
contain active -secretase complexes, which
are involved in cleaving APP to form A
and contain presenilin 1, which increases
the proteolytic activity of HTRA2 towards
IAPs.
AD patients have on average more somatic
mutations in the mtDNA control region
than control subjects
•
Mitochondria
and
ALS
Overexpression of mutant SOD1 in
ALS impairs electron-transport-chain
activities and decreases mitochondrial
calcium-loading capacity.
• SOD1 has been localized to the OMM,
IMS and matrix, and targeting of
mutant SOD1 to mitochondria causes
cytochrome c release and apoptosis.
• Mutant SOD1 promotes aberrant
mitochondrial ROS production and
forms aggregates that may clog the
OMM protein importation machinery
or bind and sequester the antiapoptotic
protein Bcl-2.
The differential diagnosis of adult onset
metachromatic leukodystrophy and early
onset familial Alzheimer disease in an
Alzheimer clinic population
Can J Neurol Sci 20: 312-8, 1993
•
•
•
•
•
•
Family history
Age of onset
Presenting features as personality changes
Cognitive deficit
Psychiatric symptoms
Clinical course
Cerebrolysin and apoptosis in lymphocytes
50,00
45,00
40,00
% apoptosis
35,00
30,00
Cere-
25,00
Cere 0,8 mg/ml
20,00
Cere 1,6 mg/ml
15,00
10,00
5,00
0,00
T48-
T48+
hours of incubation w ith (+) and w ithout (-) dRib
Cere-
Cere 0,8 mg/ml
Cere 1,6 mg/ml
T48-
4,95
3,45
4,24
T48+
43,99
12,35
41,58
Krabbe’s disease
14q21-14q31
galactocerebrosidase
• Pathogenesis: storage
of psychosine
(galactosphyngosin)
Krabbe’s disease
Adult form
• Great phenotypic heterogeneity
• Kolodny et al (1990) described the case with later onset and
duration in a women with weacknes at 40 years, with very
slow evolution, without psychic changes at the age of 73
• Demyelinating polyneuropathy and leucoencephalopathy at
MR
• It has to be considered in any patient with pallor of optic
disc, slowly progressive spastic paraparesis, asymmentric
polineuropathy and periventricular leucoencephalopathy.
Adult Krabbe’s disease
De Stefano et al. J.Neurol.247: 226-228, 2001
Adult-Onset KD GALC
Gene Analysis
1026del10
Mutations
G809A
• Two
mutations
previoulsy reported in
patients with infantile
and adult forms of KD
• Complexity
in
the
interpretation of diseasecausing mutation
GALC Gene
Rov. Franco, 57 y
• History of progressive cognitive deficiency,
gait troubles with onset at the age 53 in a
patient with diabetes
• Some epysodes of right hypostenia
• Several hospitalizations and a MR with
cortical-subcortical diffuse atrophy and
white matter changes considered as a
microlacunar vascular encephalopathy
• Axonal-myelinic sensory-motor peripheral
neuropathy
Rov. Franco, 57 y
• Dysphagia, disartria, right hemiparesis,
slight right pyramidal hypertonus, dysmetria,
pseudobulbar gait. Right Babinski
• Medium degree cognitive deficiency
• Severe decrease of nerve conduction
velocities
• Galactocerebrosidase leucocyte activity: 0,05
nmoles/h/mg prot (nv 2-6)
• G809A mutation of Galcer.ase gene, common
in adults
Rov.Franco, 57 a
Nerve biopsy
Very severe decrease of myelinic fibre density (80-90%
fibre loss). Rare axonal degeneration, findings of a severe
axonal disorder.
KRABBE DISEASE
(Rov…57 y)
• Metachromatic
leucodystrophy
• Krabbe’s disease
• Gangliosidosis type I and II
(GM1 and GM2)
• Niemann Pick type C
• Fabry’s disease
• Gaucher’s disease
• Kufs’ disease
•
•
•
•
•
•
Wilson’s disease
Mitochondrial disorders
Cerebrotendinous xanthomatosis
Adult polyglucosan body disease
Etc…..
Endogenous and synthetic neurosteroids in
treatment of Niemann-Pick Type C disease.
Mellon SH, Gong W, Schonemann MD.
Brain Res Rev. 2008 Mar;57(2):410-20.
• NP-C mice was treated with allopregnanolone
and was found that a single dose in the neonatal
period resulted in a doubling of life span,
substantial delay in onset of neurological
symptoms, survival of cerebellar Purkinje
and granule cell neurons, and reduction in
cholesterol and ganglioside accumulation. The
mechanism by which allopregnanolone elicited
these effects is unknown.
Fig. 1 Comparison of allele frequency and relative risk among disease-relevant variants.
Jun Mitsui , Shoji Tsuji
Genomic aspects of sporadic neurodegenerative diseases
Biochemical and Biophysical Research Communications, Volume 452, Issue 2, 2014, 221 - 225
http://dx.doi.org/10.1016/j.bbrc.2014.07.098
J Clin Rheumatol. 2014 Apr;20(3):160-2. doi: 10.1097/RHU.0000000000000097.
Nasu-Hakola disease as suspected cause for bone disease and dementia.
Sahebari M1, Abbasi B, Akhondpour Manteghi A, Abdollahi N.
Author information
1From the *Rheumatic Diseases Research Center (RDRC), School of Medicine,
†Radiology Department, Ghaem Hospital, School of Medicine, and ‡Avicenna Hospital,
School of Medicine, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Islamic
Republic of Iran.
Abstract
Progressive dementia in conjunction with multiple bone fractures in a previously
healthy young man led to the investigation of the underlying cause. The differential
diagnoses (most importantly hypoparathyroidism) were limited given basal ganglia
calcifications on the brain computed tomographic scan. Electronic search of the key
words basal ganglia calcification, osteoporosis, and dementia revealed a rare condition
termed Nasu-Hakola disease or polycystic lipomembranous osteodysplasia with
sclerosing leukoencephalopathy. This very rare and potentially fatal genetic disease is
characterized by pathological fractures, multiple lytic bone lesions, and presenile
dementia. We report an Iranian patient with this disease and a review of the literature.
Figure 1 Genotyping strategies Genotyping strategies vary by whether they investigate a restricted portion of the genome
(eg, a candidate gene) or the whole genome. They also vary according to the class of sequence variants they can identify.
For example,...
Guido J Falcone , Rainer Malik , Martin Dichgans , Jonathan Rosand
Current concepts and clinical applications of stroke genetics
The Lancet Neurology, Volume 13, Issue 4, 2014, 405 - 418
http://dx.doi.org/10.1016/S1474-4422(14)70029-8
Inheritance
Gene
Stroke mechanism
Associated clinical features
Diagnostic test
Autosomal dominant
NOTCH3
Small-vessel disease
Migraine with aura
Mutational screening, skin biopsy
Ischaemic stroke
CADASIL
CARASIL
Autosomal recessive
HTRA1
Small-vessel disease
Fabry's disease
X-linked
GAL
Large-artery disease and smallvessel disease
MELAS
Maternal
mtDNA
Complex (microvascular and
neuronal factors)
Sickle-cell disease
Autosomal recessive
HBB
Large-artery disease, small-vessel
disease, haemodynamic
insufficiency
CBS and others
Large-artery disease,
cardioembolism, small-vessel
disease, arterial dissection
Homocystinuria
Autosomal recessive
Premature baldness; severe low
back pain; spondylosis deformans Mutational analysis
or disk herniation
Angiokeratoma; neuropathic pain;
acroparaesthesia; hypohydrosis;
α galactosidase activity, mutational
corneal opacities; cataract; renal
screening
and cardiac failure
Developmental delay; sensorineural
hearing loss; short stature; seizures;
Muscle biopsy, mutational analysis
episodic vomiting; diabetes;
of mtDNA
migraine-like headache; cognitive
decline
Pain crises; bacterial infection;
vaso-occlusive crises; pulmonary Peripheral blood smear,
and abdominal crises; anaemia;
electrophoresis, mutational analysis
myelopathy; seizure
Mental retardation; atraumatic
dislocation of lenses; skeletal
abnormalities (Marfan-like);
premature atherosclerosis;
thromboembolic events
Urine analysis, measurement of
concentrations of homocysteine and
methionine in plasma (mutational
screening)
Pectus carinatum or excavatum;
upper-to-lower-segment ratio
<0·86, or arm-span-to-height ratio
Clinical diagnosis (mutational
>1·5; scoliosis >20%; ectopia
screening)
lentis; dilation or dissection of the
ascending aorta; lumbosacral dural
ectasia
Easy bruising; thin skin with visible
veins; characteristic facial features; Biochemical studies, mutational
rupture of arteries, uterus, or
screening
intestines
Marfan's syndrome
Autosomal dominant
FBN1
Cardioembolism and arterial
dissection
Ehlers-Danlos syndrome type
IV
Autosomal dominant
COL3A1
Arterial dissection
Pseudoxanthoma elasticum
Autosomal recessive
ABCC6
Large-artery disease and smallvessel disease
Skin changes (increased elasticity
and yellow-orange papular lesions);
Skin biopsy, mutational screening
ocular changes (angioid streaks);
hypertension
Autosomal dominant
APP
Rupture of cortical cerebral small
vessels
Cerebral lobar macrohaemorrhages
and microhaemorrhages; whiteBrain biopsy, mutational screening
matter lesions; cognitive
impairment
COL4A1
Infantile hemiparesis; congenital
porencephaly; white-matter lesions;
Rupture of cortical and subcortical
Clinical diagnosis, mutational
cerebral macrohaemorrhages and
cerebral small vessels
screening
microhaemorrhages (lobar and nonlobar); transient ischaemic attacks
Intracerebral haemorrhage
Familial cerebral amyloid
angiopathy
COL4A1-related intracerebral
haemorrhage
Autosomal dominant
Nasu-Hakola disease (NHD), also known as
polycystic lipomembranous osteodysplasia and
sclerosing leukoencephalopathy
•
•
•
•
•
•
Mov Disord. 2014 Nov;29(13):1691-5. Primary familial
brain calcification: Genetic analysis and clinical spectrum.
Taglia I, Mignarri A, Olgiati S, Menci E, Petrocelli PL,
Breedveld GJ, Scaglione C, Martinelli P, Federico A, Bonifati
V, Dotti MT
Primary familial brain calcification (PFBC) is a rare
autosomal dominant disorder with bilateral calcification of
basal ganglia and other cerebral regions, movement disorders,
and neuropsychiatric disturbances. So far, three causative
genes have been discovered: SLC20A2, PDGFRB and
PDGFB, accounting for approximately 50% of cases.
Seven unrelated families with primary brain calcification were
recruited to undergo clinical and genetic analysis, including
Sanger sequencing of SLC20A2, PDGFRB, and PDGFB, and
copy number analysis of SLC20A2.
Mutations in SLC20A2 have been detected in three families:
p.Glu368Glyfs*46, p.Ser434Trp, and p.Thr595Met.
Intrafamilial phenotype variability has been observed. In spite
of this, we found similar neuroimaging pattern among
members of the same family.
This molecular analysis expands the mutational spectrum of
SLC20A2, which remains the major causative gene of primary
familial brain calcification, and suggests the existence of
disease-causing mutations in at least another, still unknown
gene.
Two novel HTRA1 mutations in a European CARASIL patient.
Bianchi S, Di Palma C, Gallus GN, Taglia I, Poggiani A, Rosini F, Rufa A, Muresanu DF,
Cerase A, Dotti MT, Federico A.
Neurology. 2014 Mar 11;82(10):898-900
CARASIL
Cerebral autosomal-recessive arteriopathy
with subcortical infarcts and
leukoencephalopathy (CARASIL) patients
are typically normotensive and have
alopecia with onset in their teen years,
spondylosis with onset in their 20 s and
30 s, stroke beginning in their 30 s, and
dementia with onset in their 30 s to 50 s.
Linkage analysis has shown mutations in the
HtrA serine protease 1 (HTRA1) gene have
been shown to cause CARASIL . Patients
with mutations tend to have protein
products with low protease activity that is
not able to repress signaling by the
transforming growth factor-β family
(TGF-beta).
A schematic presentation of HTRA1 mutations.
The mutations reported in Far-Eastern patients are presented below
the gene and
those in Caucasian patients are presented above the gene. Missense
mutations are
presented in black, nonsense mutations in red and the compound
heterozygous mutation in green.
Case 2, S.S., F, 46 y
3-year history of progressive and cognitive changes. Her family noted apathy, lack
of initiation, poor concentration and memory, irritability, childish behaviour,
inappropriate laughing, disinhibition, hyperorality and urinary incontinence.
Over the next year, there was rapid deterioration of cognitive functions. She
developed primitive reflexes, mutism, somnolence and generalized seizures.
Familial history: not history of cognitive impairment.
Neurological exam: bradykinesia in all extremities and she had exaggered deep
tendon reflexes, but no extensor plantar responses.
MMSE: 17/30
Brain MRI: Figure 1
Figure 1: Brain MRI, axial FLAIR,
demonstrated localized bilateral
frontoparietal periventricular white
matter T2 hyperintensities with
corresponding atrophy.
CSF: no abnormalities, except a slight protein elevation.
Thrombotic risk: normal;
CADASIL, CARASIL and PS1 screening: no mutations,
Wilson disease
•
•
•
•
•
Personality changes, dementia, tremor, ataxia
Kayser-Fleischer ring
Hepatomegaly
Low serum ceruloplasmin, high serum copper
Mutation in ATP7B gene
Early thalamic and cortical
hypometabolism in adult-onset dementia
due to metachromatic leukodystrophy
Salmon E. et al
Acta Neurol Belg 99: 185-8, 1999
Early onset adult dementia with a family history of
dementia, characterized by neuropsychological
deficits, suggesting frontal involvement, with mild
non specific white matter abnormalities on CT and
MR. Neuropathologic diagnosis after brain biopsy
was metachromatic leucodystrophy
Background
Conventional MRI in CADASIL
Asymptomatic
(32 y.o.)
Advanced
stage
(58 y.o.)
De Stefano et al AAN 2000 S39.005
(J. Neurol. Sci.188: 51-60, 2001)
Lipopigment
accumulations in neurons
(J. Neurol. Sci.188: 51-60, 2001)
Lipopigment accumultion
in skin biopsy
Fabry’s disease
.
The classic form, occurring in males with less than 1% -Gal A
activity, usually has its onset in childhood or adolescence
with periodic crises of severe pain in the extremities
(acroparesthesias), the appearance of vascular cutaneous
lesions (angiokeratomas), hypohidrosis, characteristic corneal
and lenticular opacities, and proteinuria.
• Gradual deterioration of renal function to
end-stage renal disease (ESRD) usually
occurs in the third to fifth decade. In
middle age, most males successfully
treated for ESRD develop cardiovascular
and/or cerebrovascular disease, a major
cause of morbidity and mortality.
Neurological features of
Fabry's disease
Central nervous system
• Cerebrovascular events
• ischaemic stroke
• Transient ischaemic attack
• Tinnitus
• Hearing impairment
• Vertigo
• Psychiatric disorders (especially
depression)
• Cognitive impairment
Peripheral nervous system
• Peripheral
neuropathy
(especially
small
fibre),
autonomic dysfunction
• Neuropathic pain
• Episodic pain crises (triggered,
for example, by warming)
• Acroparaesthesiae
• Impaired temperature sensation
• Hypohidrosis
• Intestinal dysmotility (including
abdominal pain and diarrhoea)
• Peripheral
vasomotor
dysregulation
Pathophysiology of stroke in
FD
• Large and small cerebral vessels are affected
• Stroke may result from cardiogenic embolism in the context of
ischaemic heart disease, valvular disease, arrhytmia and
cardiomyopathy.
• Changes in the vessel wall as a consequence of glycolipid
accumulation may lead to progressive stenosis and occlusion of
small blood vessels.
• In large vessels, the converse applies, with lipid deposition
weakening the vessel wall, resulting in dilatation and tortuosity.
• Disturbation of intra- and intercellular signalling via cytokines.
• Increased levels of endothelial prothrombotic factors and
leukocyte adhesion molecule expression and increased
endothelium-mediated vascular reactivity.
• Changes in the local pattern of blood flow.
Cell
nDNA
Abnormal
mitochondria
Clinical phenotypes
• Congenital
• Infanto-juvenile
• Adult (cerebral and spinal forms).
Adrenomyeloneuropathy
• Often, in the same family, cohexistence of
infantile and adult forms
Accumulation and aggregation
of amyloid beta-protein in late
endosomes of Niemann-Pick C
cells
Yamazaki T et al
J Biol Chem 276: 4454-60, 2001
MORPHOLOGICAL EVIDENCE OF METABOLIC DYSFUNCTION
Lysosomal storage cells
peripheral leukocytes
bone narrow
tissues
Peroxysomal abnormalities
Mitochondrial abnormalities
muscle
platelets
tissues
BIOCHEMICAL DISORDES (Metabolic changes and enzyme deficiency)
Serum
Leukocytes
Cultured fibroblasts
Platelets
Urine
Tissues
MOLECULAR GENETICS INVESTIGATIONS
Mitochondrial cytopathy

Demenze metaboliche e neurodegenerazione.

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