Molte patologie umane (e non) si sviluppano in risposta all’azione di un organismo esterno verso i nostri tessuti. Batteri, funghi, virus… Che siano venuti dall’ambiente esterno o abbiano preso il sopravvento sul nostro normale microbiota, molto spesso questi microrganismi ci possono creare dei problemi. Spesso colpiscono pazienti con un sistema immunitario già debole (il fungo Candida albicans e il famoso “mughetto”), mentre a volte hanno uno spettro d’azione molto più ampio. Sebbene gli agenti infettivi possano causare gravi patologie come AIDS e sifilide, è pur vero che non tutti gli individui sono suscettibili allo stesso modo. Grazie ad alcuni polimorfismi genici che contraddistinguono ognuno di noi, gli effetti dei patogeni variano da persona a persona:

  • Apolipoproteina (APO). L’allele ε4 (APOE4) sembra predisporre allo sviluppo della malattia di Alzheimer (AD). Vari studi hanno associato la presenza di questo allele e la coinfezione con HHV (Human Herpes Virus) con lo sviluppo di questa patologia neurologica. L’allele APOE4 è inoltre stato associato alla maggior suscettibilità per HAND (HIV-Associated Neurocognitive Disorder, la sindrome neurologica di demenza associata a infezione da HIV da lunga data). La presenza di APOE4, infine, si associa a una connettività cerebrale diversa rispetto a gruppi di controllo privi di questo allele, anche in assenza di marcatori per AD.
  • Human Leucocity Antigen (HLA). L’allele HLA-B57-O1 è stato rilevato in una piccola percentuali di pazienti infettati da HIV. Questi soggetti (detti “non progressor”), seppur infettati, hanno una bassissima carica virale nel sangue e non necessitano della terapia.

Queste sono due tra i principali polimorfismi che si incontrano studiando la patologia del cervello, ma è un concetto applicabile a qualsiasi apparato (diabete mellito, celiachia…).

Oltre ai microbi patogeni “standard”, esiste un’ulteriore classe biologica non ancora ben classificata: i prioni.

I prioni (PRoteinaceus Infective ONly particle) sono proteine malripiegate originate da un peptide normalmente presente nel nostro organismo, detto PrP (Prion Protein). Resi famosi dall’epidemia della “mucca pazza” (o Encefalopatia Spongiforme Bovina, ESB) nel 1986, questi agenti proteici malripiegati sembrano essere in grado di indurre una conformazione errata nella loro controparte normale, “infettando” così i loro simili “normali”. Ci sono alcuni modelli che cercano di spiegare questo meccanismo (tramite fibrille, placche, etc.), ma la cosa che più colpisce è un’altra: in questo caso l’informazione è trasferita tramite proteine e non con il DNA. Sembrerà banale, ma questo assunto mette in discussione il dogma cardine della biologia! Anche la termodinamica alla base del processo è alquanto interessante, tra variazioni di energia libera, stabilità e strutture beta.

Ipotesi di spreading dell’infezione da prioni (Scheckel, Aguzzi, Nat Rev Gen, 2018)

I prioni sono responsabili di patologie dette “Encefalopatie Spongiformi Trasmissibili” (EST), dette così per l’aspetto che il cervello assume con la malattia. Sono sindromi neurodegenerative caratterizzate da una progressiva perdita di volume cerebrale e accumulo di queste proteine malripiegate. Oggi si pensa che le patologie prioniche possano colpire soltanto il sistema nervoso centrale (sebbene i prioni possano a volte ritrovarsi anche in altri distretti corporei). Le EST si ritrovano anche in alcuni mammiferi, tra cui i bovini, cervi e ovini. Il salto di specie è possibile, sebbene raro: l’epidemia di ESB ne è un esempio.

Nell’uomo conosciamo e classifichiamo tre forme di malattia prionica:

  • Genetica, ovvero la sindrome di Creutzfeldt–Jakob genetica (gCJD), l’Insonnia Familiare Fatale (FFI) e la sindrome di Gerstmann–Straeussler–Scheinker syndrome (GSS). In queste patologie il gene che codifica per la proteina PrP (gene PRNP) è sempre mutato;
  • Sporadica, con le forme idiopatiche della Creutzfeldt–Jakob e dell’Insonnia Familiare Fatale;
  • Le forme acquisite sono la Creutzfeldt–Jakob iatrogena (cioè da trapianto o procedure mediche non adeguatamente controllate), quella trasmessa con i prioni, e il Kuru. Quest’ultima è una patologia che può ricordare il Morbo di Parkinson: è stata documentata in una popolazione della Nuova Guinea in cui, alla morte di un parente, si era soliti mangiarne il cervello come rito funebre. In questo modo i prioni venivano trasmessi di generazione in generazione.

Nel cervello dei pazienti affetti da queste patologie neurodegenerative si ritrovano aggregati della PrP malripiegata. Esistono alcuni polimorfismi anche nelle EST. Ogni vario polimorfismo allelico è selettivo per alcune forme di EST (non comprendo tutte le possibili EST in toto) e molte sembrano predisporre per una EST più precoce. A oggi si conosce soltanto un polimorfismo protettivo del gene PRNP, il quale sembra proteggere dal Kuru (quindi un’alterazione allelica evolutasi per pressione selettiva in Nuova Guinea).

Cervello di paziente affetto da CJD e cervello sano

Questo tipo di indagini personalizzate ci aiuta a capire che, più si studia una patologia, più emergono sottoclassi della stessa in base al paziente. L’abitudine di classificare tutto (Kant docet) ci è utile in un primo momento, ma quando siamo di fronte a un’incognita questa barriera aprioristica ci è spesso d’intralcio. Questo tipo di visione è centrale soprattutto nell’approccio al paziente oncologico (ma non solo), in cui il tumore evolve e muta insieme al soggetto colpito: la terapia dev’essere il più mirata possibile, avendo sempre in mente che ogni persona (e, più in generale, ogni forma di vita) è un ambiente a sé.

Quindi, in breve:

  • Le proteine prioniche mutate inducono un malripiegamento anche nelle loro controparti fisiologiche, espandendo la loro influenza sul tessuto colpito.
  • Sono patologie che possono presentare un salto di specie.
  • L’accumulo di proteine con struttura prevalente a beta-foglietto causa la patologia.

E se vi dicessi che:

  • Anche le proteine β-amiloide (nel Morbo di Alzheimer, AD) e Tau (Malattia di Parkinson, PD) sembrano collegati a una diffusione simil-prionica, con meccanismo di induzione peptidica del ripiegamento.
  • Generalmente il salto di specie si associa ad agenti infettivi che si adattano a ospiti e ambienti diversi.
  • AD e PD si associano a inclusioni di placche di proteine aggregate nel cervello. Alcune delle terapie per AD sono proprio mirate a combattere la formazione di questi aggregati.

Chi di voi ha letto la puntata precedente di Tuttofabrodmann si sarà ricordato che recentemente l’AD è stata associata a infezioni di Herpes Virus e alcuni altri patogeni biologici. Anche il Parkinson, d’altronde, sta emergendo come patologia possibilmente innescata da infezioni microbiche. Se fosse così anche per le patologie da prioni?

Sebbene la comunità scientifica oggi non si esprima molto unitariamente sull’eziologia delle EST, alcune ricerche sembrano fare luce su questa ipotesi. Tra le più significative ci sono i contributi del Laboratorio di Neuropatologia di Yale, coordinato dalla Prof. Laura Manuelidis. Le sue obiezioni alla visione attuale dell’enigma prionico sono le seguenti:

  • Le procedure che idrolizzano la PrP mutata inattivano i prioni (contro i rischi per l’operatore)… ma anche i virus!
  • La mutazione del gene causa una patologia tossica, ma non direttamente i PrP mutati (che sarebbero prodotti in conseguenza a un evento trigger… infettivo?)
  • Gli esperimenti che hanno dimostrato che PrP ricombinanti e mutazioni del PrP causano patologia trasmissibile sono poco riproducibili.
  • La formazione di PrP mutata sembra protettiva in un momento iniziale, ma pare poi andare “fuori controllo con il tempo” (un po’ come accennato per l’AD, dove la β-amiloide sembra esercitare un iniziale effetto contenitivo, ma poi degenera danneggiando il neurone).
  • Il gruppo della Prof. Manuelidis ha rinvenuto particelle virali di 25 nm in cellule infettate da prioni. Rinvenire virus in colture cellulari o tessuti autoptici non è semplice: l’ambiente cellulare è danneggiato dalla patologia, l’allestimento del preparato modifica la struttura del tessuto, i virus possono essere visti solo al microscopio elettronico (che ha preparazioni particolari). In alcuni laboratori di ricerca, per esempio, si studiano i virus in tessuti tumorali tramite tecniche con “DNA antico” (cioè di paleologia molecolare, usate per cercare materiale genetico in campioni di milioni di anni fa) per ovviare al problema del tessuto fortemente danneggiato dalla patologia.

Per cui, forse le patologie dei prioni derivano da difese eccessive che il nostro organismo mette in atto contro agenti patogeni che ancora non siamo in grado di riconoscere.

Ora ad alcuni potrà sembrare un’ipotesi poco realista, ma se nel 1700 aveste detto che il tumore della cervice uterina è spesso causato da un virus o che la tubercolosi è causata da un batterio… non penso vi avrebbero dato retta.

Per dare un esempio pratico e visivo, ecco come si è evoluta la microscopia elettronica per lo studio della struttura di HIV:

La strada per capire la patogenesi delle EST è ancora lunga e tortuosa, ma il take-home message di queste teorie “secondarie” della scienza è il seguente: non fidiamoci troppo di quello che pensiamo di sapere. Soprattutto in argomenti con molti interrogativi, affidarsi ciecamente alla visione dominante non sempre permette l’avanzamento della conoscenza umana. Albert Einstein e la relatività ristretta, Peter Mitchell e il modello chemosmotico della sintesi dell’ATP, Copernico e l’eliocentrismo, Darwin e la selezione delle specie… Sono tutti esempi di quel cambio di paradigma descritto da Thomas Kuhn ne “La struttura delle rivoluzioni scientifiche” del 1962. Forse per i prioni sarà la stessa cosa, magari lo studio di queste proteine particolari ci aiuterà a capire altri meccanismi. Chiudo dicendo, però, che le rivoluzioni scientifiche non si basano teorie complottistiche o “andare controcorrente a tutti i costi”: alla base della ricerca rimane un metodo rigoroso in continuo miglioramento.

Non essendo questo un articolo di epistemologia, fermo qui le elucubrazioni con la frase (attribuita a una decina di divulgatori diversi): “Proviamo ad avere una mente aperta, ma non troppo da far cadere il cervello”.

 

Bibliografia:

Prions, prionoids and protein misfolding disorders (Scheckel & Aguzzi, Nature Review Genetics, 2018)

A naturally occurring variant of the human prion protein completely prevents prion disease (Asante et al., Nature, 2015)

Innate partnership of HLA-B and KIR3DL1subtypes against HIV-1 (Martin et al., Nature Genetics, 2007)

HLA B*5701 is highly associated with restriction of virus replication in a subgroup of HIV-infected long term nonprogressors (Migueles et al., PNAS, 1999)

HIV-infected subjects with the E4 allele for APOE have excess dementia and peripheral neuropathy (Corder et al., Nature Medicine, 1998)

Harrison. Principi di medicina interna (Kasper – Fauci – Longo, CEA, 2016)

APOE4 Allele Disrupts Resting State fMRI Connectivity in the Absence of Amyloid Plaques or Decreased CSF Aβ42 (Sheline et al., Journal of Neuroscience, 2010)

Alzheimer disease- A tale of two prions (Nussbaum et al., Prion, 2013)

Proteomic analysis of host brain components that bind to infectious particles in Creutzfeldt‐Jakob disease (Kipkorir et al., Proteomics, 2015)

Cells infected with scrapie and Creutzfeldt–Jakob disease agents produce intracellular 25-nm virus-like particles (Manuelidis et al., PNAS, 2006)

Prion Strains and Transmission Barrier Phenomena (Igel-Egalon et al., Pathogens, 2018)

Continuous Production of Prions after Infectious Particles Are Eliminated: Implications for Alzheimer’s Disease (Miyazawa et al., Plos ONE, 2012)

CJD and Scrapie Require Agent-Associated Nucleic Acids for Infection (Botsios & Manuelidis, Journal of Cellular Biochemistry, 2016)

Infectious particles, stress, and induced prion amyloids A unifying perspective (L. Manuelidis, Virulence, 2013)

Sito del Laboratorio della Prof.ssa Manuelidis https://medicine.yale.edu/lab/manuelidis/particles/

Immagine in evidenza: Breaking Cryo-EM Resolution Barriers to facilitate drug discovery (Merk et al., Cell, 2016)