Le malattie neurodegenerative sono patologie del sistema nervoso centrale caratterizzate dalla progressiva perdita di specifiche popolazioni neuronali per morte cellulare. Da anni il laboratorio di Biologia Applicata del DiSFeB, di cui faccio parte in qualità di dottoranda, studia i meccanismi molecolari alla base della sclerosi laterale amiotrofica (SLA), una patologia neurodegenerativa che colpisce i neuroni responsabili del controllo dei movimenti, detti motoneuroni, causando atrofia muscolare.

L’evoluzione della malattia è spesso molto rapida, con un’aspettativa di vita di 3-5 anni dall’esordio dei sintomi, nonostante il decorso si presenti in modo differente tra i pazienti. La maggior parte dei casi di SLA ha origine sporadica, cioè non associata a mutazioni, mentre le forme genetiche, dette familiari, rappresentano solo il 5-10% dei casi. Sebbene i meccanismi patogenetici che caratterizzano le forme sporadiche e familiari di SLA coincidano, queste ultime tendono ad essere più severe, con un’età d’esordio più precoce ed un decorso più rapido, talvolta associato anche a disfunzioni cognitive.

La prima mutazione genetica causativa di SLA è stata identificata nel 1993 e da allora più di 40 geni sono stati associati alla patologia. Recentemente, è stato aggiunto alla lista il gene KIF5A, già noto per essere coinvolto nella patogenesi di paraparesi spastiche ereditarie (HSP/SPG10) e della forma assonale della malattia di Charcot-Marie-Tooth (CMT2). 

Il gene KIF5A codifica per una variante della proteina chinesina, proteina motrice la cui funzione è quella di trasportare molecole, vescicole ed organelli all’interno della cellula. I meccanismi di trasporto intracellulare assumono un ruolo chiave nel regolare la funzionalità di cellule altamente polarizzate come i neuroni, in cui il nucleo ed i terminali sinaptici assonali possono trovarsi anche a diversi centimetri di distanza.

Le proteine motrici sono dei motori molecolari che spostano da un punto all’altro della cellula i loro substrati, detti cargo consumando energia sotto forma di ATP. Il movimento delle proteine motrici nel citoplasma avviene lungo i microtubuli che, organizzati come binari, guidano i motori molecolari verso i vari compartimenti della cellula. Le chinesine sono organizzate in 15 famiglie differenti e sono responsabili dei processi di trasporto che procedono dal centro della cellula verso la periferia. Esse sono costituite da quattro catene proteiche, due pesanti e due leggere, e possono interagire con i loro cargo direttamente o mediante proteine adattatrici che fanno da ponte tra la chinesina e il cargo.

La proteina KIF5A è costituita da tre domini: i) il dominio motorio, responsabile dell’interazione coi microtubuli e dell’idrolisi di ATP, forma la porzione iniziale di KIF5A, detta N-terminale; ii) il dominio superavvolto (coiled coil) ne costituisce la porzione centrale, che media la dimerizzazione tra due unità di KIF5A e lega le catene leggere; iii) il dominio globulare, coinvolto nell’interazione coi cargo e con le proteine adattatrici, rappresenta invece la porzione finale, o C-terminale, della proteina. 

Mutazioni nei tre domini di KIF5A sono associate a malattie neurodegenerative distinte tra loro. In particolare, le mutazioni che causano paraparesi spastiche ereditarie cadono nel dominio motorio di KIF5A, le mutazioni associate a Charcot-Marie-Tooth ne colpiscono il dominio coiled coil e le mutazioni recentemente correlate alla SLA sono state identificate nel dominio globulare. Queste mutazioni possono alterare la capacità di KIF5A di legarsi ai microtubuli, impedendo il movimento della chinesina, o di interagire con le proteine adattatrici e/o con i cargo, perturbando il trasporto assonale. Inoltre, le mutazioni di KIF5A possono modificare la struttura tridimensionale della proteina, promuovendo la sua inclusione in aggregati insolubili tossici per i neuroni.

Tentare di decifrare i processi patogenetici legati alle mutazioni di KIF5A è l’obiettivo di uno dei progetti di ricerca del nostro laboratorio. Il progetto, finanziato dal Ministero della Salute e svolto in collaborazione con i gruppi di ricerca di Franco Taroni (Fondazione IRCCS Istituto Neurologico Besta) e di Vincenzo Silani (Università degli Studi di Milano – IRCCS Istituto Auxologico Italiano), si concentra su quattro mutazioni di KIF5A individuate in una campagna di screening genetico effettuata su un’ampia coorte di pazienti affetti da malattie neurodegenerative. Tre di queste mutazioni sono già riportate in letteratura e colpiscono ciascuna un dominio distinto della proteina KIF5A, causando dunque patologie diverse tra loro. La quarta mutazione, invece, è di nuova identificazione.

I risultati della ricerca permetteranno di comprendere quali siano i processi mediante i quali l’alterato comportamento di KIF5A determina la morte neuronale e di indagare quali siano le ragioni per cui mutazioni in diversi domini della proteina diano origine a patologie distinte tra loro.