Modelli in Drosophila di malattie del motoneurone

Descrizione

Il nostro laboratorio utilizza Drosophila melanogaster come modello per studiare le malattie del motoneurone. Un approccio per la comprensione della malattia è quello di sfruttare organismi meno complessi per studiare i meccanismi della malattia, stabilire la funzione del gene-malattia e identificare i pathways biologici che controllano la malattia. Il moscerino della frutta (Drosophila melanogaster) ha prodotto progressi decisivi in ​​molte malattie neurologiche e neurodegenerative, fornendo sia una comprensione dei pathways biologici coinvolti nella malattia sia importanti indizi per nuovi approcci terapeutici nell’uomo. Una combinazione di diversi fattori importanti rende la Drosophila un modello animale straordinariamente potente per la ricerca nelle neuroscienze. I moscerini hanno un ciclo di vita breve e il loro mantenimento poco dispendioso. La manipolazione genica in Drosophila è veloce e relativamente semplice. I moscerini offrono alcuni vantaggi importanti per lo studio del sistema nervoso. La Drosophila possiede un sistema nervoso complesso, tuttavia meno complicato di quello degli esseri umani, che contiene neuroni e glia, è protetto da una barriera emato-encefalica e condivide importanti somiglianze funzionali, molecolari, di sviluppo ed organizzazione con il cervello dei vertebrati. Infine, il minor numero di geni rispetto al genoma umano implica che molti geni che negli esseri umani fanno parte di famiglie di geni composte da paraloghi con funzioni ridondanti e/o sovrapposte sono rappresentati da un unico membro, caratteristica che consente un’interpretazione molto più facile negli studi “loss of function”.

Nel Laboratorio abbiamo sfruttato la Drosophila principalmente per studiare le forme di paraplegia spastica ereditaria SPG3 e SPG4 causate rispettivamente dalla mutazione dei geni codificanti le proteine ​atlastina e spastina. Abbiamo scoperto che la perdita di spastina nei neuroni dn Drosophila causa destabilizzazione dei microtubuli e difetti nella crescita sinaptica e nella neurotrasmissione. Abbiamo generato un modello di SPG4 in Drosophila e abbiamo dimostrato che il knockdown neuronale di spastina e, viceversa, la sovraespressione di spastina contenente una mutazione patogena conservata, riproducono alcuni aspetti fenotipici della malattia umana, tra cui insorgenza in età adulta, compromissione motoria, e neurodegenerazione. A livello subcellulare, RNAi neuronale neuronale e sovraespressione di spastina mutante causano un'eccessiva stabilizzazione dei microtubuli nelle sinapsi. La somministrazione del farmaco vinblastina che destabilizza i microtubuli attenua significativamente questi fenotipi in vivo. Quindi, la perdita della funzione di spastina in Drosophila genera fenotipi simili all’HSP fornendo così nuovi conoscenze sul meccanismo molecolare di mutazioni nella spastina e suggerendo che la terapia con alcaloidi della Vinca può essere efficace nel trattamento della HSP associata alla spastina.

Utilizzando la Drosophila siamo stati in grado di scoprire la funzione di atlastina, la proteina causativa di SPG3a, una delle forme più comuni di paraplegia spastica ereditaria. I nostri studi hanno dimostrato che Atlastin è la GTPasi necessaria per la fusione omotipica delle membrane del reticolo endoplasmatico e ha suggerito che le mutazioni patologiche di atlastina-1 umana probabilmente perturbano la fusione della membrana reticolare. Pertanto, la conseguente perdita di integrità del reticolo endoplasmatico è il probabile difetto alla base della progressiva degenerazione assonale osservata nella paraplegia spastica ereditaria legata all'atlastina-1.

Attualmente stiamo studiando il ruolo della proteina ​​reticulon (associata anch’essa ad una forma di HSP) nel reticolo endoplasmatico e come la sua funzione funzione possa essere collegata alla paraplegia spastica ereditaria. Inoltre, stiamo sviluppando modelli di Drosophila per SPG12 e SPG15 sfruttando la più recente tecnologia di editing genico in vivo mediata da CRISPR/Cas9.

Recentemente, siamo entrati nell'arena della ricerca sui mitocondri concentrandoci sulla dinamica mitocondriale e sulle malattie causate dalla mutazione dei geni coinvolti in questo processo. Abbiamo studiato come la perturbazione dell’equilibrio fusione/fissione influenzi la distribuzione dei mitocondri negli assoni della Drosophila. Abbiamo generato un sistema in vivo in cui la frammentazione dei mitocondri non è accompagnata da disfunzioni bioenergetiche. La frammentazione mitocondriale è osservata in una varietà di condizioni patologiche ed i nostri risultati indicano che in malattie caratterizzate da alterazione della morfologia e della distribuzione assonale mitocondriali, questi difetti potrebbero non essere la causa primaria della patologia poiché nel nostro modello di Drosophila il ripristino della morfologia e della distribuzione assonale dei mitocondri senza però il ripristino della capacità respiratoria non consente la sopravvivenza degli individui.

Pubblicazioni

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Collaborazioni

• Vadim Frolov, Unidad de Biofísica (UPV/EHU, CSIC), Leioa, Spain
• Antonio Delgado-Escueta, Department of Neurology, Ronald Reagan UCLA Medical Center, University of California Los Angeles, USA
• Masahiro Shirakawa, Department of Molecular Engineering, Kyoto University Katsura, Japan
• James McNew, Department of Biosciences, Rice University, Houston, USA