Paraparesi spastiche ereditarie e Malattie del motoneurone dell’età pediatrica

Descrizione

Le paraparesi spastiche ereditarie sono un  gruppo eterogeneo di patologie neurodegenerative dovute a degenerazione del primo motoneurone. Si distinguono pazienti con forme pure caratterizzati dalla presenza di spasticità  isolata agli arti inferiori e pazienti con forme complicate caratterizzati dalla presenza di segni/sintomi  neurologici ed extra neurologici oltre alla spasticità  quali atrofia ottica, retinopatia,  epilessia, sordità,  coinvolgimento del sistema  extrapiramidale,  segni cerebellari, disabilità intellettiva o decadimento cognitivo.

Negli ultimi 10 anni questo gruppo ha raccolto e selezionato selezionato un’ampia casistica di pazienti con forme neurodegenerative , in gran parte con diagnosi di paraparesi spastica ereditaria e/o  di patologie motoneuronali  in cui la spasticità rappresenta un segno predominante, quali  forme di SLA giovanili, forme ereditarie di paralisi cerebrali infantili in aggiunta a diverse famiglie con forme recessive di atassia.

L’analisi genetica su questo ampio ed eterogeneo gruppo di pazienti ha condotto all’identificazione di mutazioni in diversi geni riconducibili a forme specifiche di paraparesi o di SLA giovanile. Attualmente stiamo completando la caratterizzazione genetica di questi pazienti  tramite tecniche di sequenziamento NGS mirato utilizzando pannelli specifici oppure tramite sequenziamento dell’esoma.

In parallelo, il gruppo di ricerca in questi anni  ha avviato analisi di tipo  funzionale e biochimico delle proteine identificate dall’analisi genetica, per definire una correlazione tra la presenza delle mutazioni e l’insorgenza della patologia (Panzeri et al., 2006; Crimella et al., 2010; Airoldi et al., 2010; Vantaggiato et al., 2011; Vantaggiato et al., 2013). A questo scopo vengono utilizzati modelli cellulari neuronali e non neuronali, quali fibroblasti e linfoblasti derivati direttamente dai soggetti affetti. Tra i modelli neuronali vengono utilizzate soprattutto le cellule P19: cellule murine che in presenza di acido retinoico possono differenziare in neuroni e glia e sono un buon modello per studiare il ruolo di una proteina nel differenziamento neuronale e per analizzare l’effetto delle mutazioni patologiche. Questo gruppo ha acquisito una buona esperienza nel differenziamento neuronale e motoneuronale di queste cellule (Vantaggiato et al., 2009; Vantaggiato et al., 2011). Recentemente l’attività del gruppo si è concentrata sulla caratterizzazione biochimica e funzionale di una proteina, la spastizina, codificata dal gene ZFYVE26, le cui mutazioni sono associate ad una forma di paraparesi spastica denominata SPG15. L’analisi funzionale in fibroblasti e linfoblasti derivati da soggetti affetti da SPG15 ci ha permesso di definire un ruolo della spastizina nell’autofagocitosi (Vantaggiato et al., 2013 e 2014).  Abbiamo dimostrato che la spastizina interagisce con i complessi di Beclin1 contenenti  Uvrag e Rubicon, coinvolti nella maturazione degli autofagosomi, e che la proteina perde la capacità di interagire con Beclin1 quando è mutata. Mutazioni della spastizina determinano alterazioni  nella maturazione degli autofagosomi. Infatti i fibroblasti derivati da soggetti affetti da SPG15, in cui la spastizina è mutata o assente, presentano un accumulo di autofagosomi immaturi, evidenziabili sia tramite immunofluorescenza che tramite microscopia elettronica. Accumuli analoghi sono stati evidenziati  anche in neuroni ippocampali primari di topo (E18) in cui il gene  Zfive26 è stato silenziato, indicando che difetti di autofagocitosi potrebbero essere alla base del fenotipo patologico associato a SPG15. Al momento sono in corso studi per identificare il meccanismo che determina l’accumulo degli autofagosomi e definire il ruolo di spastizina nel traffico endosomale e nel pathway endo-lisosomale.

Pubblicazioni

• Scarlato M, Citterio A, Barbieri A, Godi C, Panzeri E, Bassi MT. Exome sequencing reveals a novel homozygous mutation in ACP33 gene in the first Italian family with SPG21. J Neurol. 2017 Jul 27. [Epub ahead of print]
• Martinuzzi A, Montanaro D, Vavla M, Paparella G, Bonanni P, Musumeci O, Brighina E, Hlavata H, Rossi G, Aghakhanyan G, Martino N, Baratto A, D'Angelo MG, Peruch F, Fantin M, Arnoldi A, Citterio A, Vantaggiato C, Rizzo V, Toscano A, Bresolin N, Bassi MT. Clinical and Paraclinical Indicators of Motor System Impairment in Hereditary Spastic Paraplegia: A Pilot Study. PLoS One. 2016 Apr 14;11(4):e0153283.
• Citterio A, Arnoldi A, Panzeri E, Merlini L, D'Angelo MG, Musumeci O, Toscano  A, Bondi A, Martinuzzi A, Bresolin N, Bassi MT. Variants in KIF1A gene in dominant and sporadic forms of hereditary spastic paraparesis. J Neurol. 2015 Dec;262(12):2684-90.
• Rinaldi F, Bassi MT, Todeschini A, Rota S, Arnoldi A, Padovani A, Filosto M. A novel mutation in motor domain of KIF5A associated with an HSP/axonal neuropathy  phenotype. J Clin Neuromuscul Dis. 2015 Mar;16(3):153-8.
• Perrotta C, Cervia D, De Palma C, Assi E, Pellegrino P, Bassi MT, Clementi E.  The emerging role of acid sphingomyelinase in autophagy. Apoptosis. 2015 May;20(5):635-44.
• Agosta F, Scarlato M, Spinelli EG, Canu E, Benedetti S, Bassi MT, Casali C,Sessa M, Copetti M, Pagani E, Comi G, Ferrari M, Falini A, Filippi M. Hereditary Spastic Paraplegia: Beyond Clinical Phenotypes toward a Unified Pattern of Central Nervous System Damage. Radiology. 2015 Jul;276(1):207-18.
• Vantaggiato C, Clementi E, Bassi MT. ZFYVE26/SPASTIZIN: a close link between complicated hereditary spastic paraparesis and autophagy. Autophagy. 2014 Feb;10(2):374-5.
• Vantaggiato C, Crimella C, Airoldi G, Polishchuk R, Bonato S, Brighina E, Scarlato M, Musumeci O, Toscano A, Martinuzzi A, Santorelli FM, Ballabio A, Bresolin N, Clementi E, Bassi MT. Defective autophagy in spastizin mutated patients with hereditary spastic paraparesis type 15. Brain. 2013 Oct;136(Pt 10):3119-39.
• Theofilopoulos S, Griffiths WJ, Crick PJ, Yang S, Meljon A, Ogundare M, Kitambi SS, Lockhart A, Tuschl K, Clayton PT, Morris AA, Martinez A, Reddy MA, Martinuzzi A, Bassi MT, Honda A, Mizuochi T, Kimura A, Nittono H, De Michele G, Carbone R, Criscuolo C, Yau JL, Seckl JR, Schüle R, Schöls L, Sailer AW, Kuhle J, Fraidakis MJ, Gustafsson JÅ, Steffensen KR, Björkhem I, Ernfors P, Sjövall J, Arenas E, Wang Y. Cholestenoic acids regulate motor neuron survival via liver X receptors. J Clin Invest. 2014 Nov 3;124(11):4829-42.
• Heinzen EL, Swoboda KJ, Hitomi Y, Gurrieri F, Nicole S, de Vries B, Tiziano FD, Fontaine B, Walley NM, Heavin S, Panagiotakaki E; European Alternating Hemiplegia of Childhood (AHC) Genetics Consortium; Biobanca e Registro Clinico per l'Emiplegia Alternante (I.B.AHC) Consortium; European Network for Research on Alternating Hemiplegia (ENRAH) for Small and Medium-sized Enterpriese (SMEs) Consortium, Fiori S, Abiusi E, Di Pietro L, Sweney MT, Newcomb TM, Viollet L, Huff C, Jorde LB, Reyna SP, Murphy KJ, Shianna KV, Gumbs CE, Little L, Silver K,  Ptáček LJ, Haan J, Ferrari MD, Bye AM, Herkes GK, Whitelaw CM, Webb D, Lynch BJ,  Uldall P, King MD, Scheffer IE, Neri G, Arzimanoglou A, van den Maagdenberg AM, Sisodiya SM, Mikati MA, Goldstein DB. De novo mutations in ATP1A3 cause alternating hemiplegia of childhood. Nat Genet. 2012 Sep;44(9):1030-4.
• Vantaggiato C, Bondioni S, Airoldi G, Bozzato A, Borsani G, Rugarli EI, Bresolin N, Clementi E, Bassi MT. Senataxin modulates neurite growth through fibroblast growth factor 8 signalling. Brain. 2011 Jun;134(Pt 6):1808-28.
• Crimella C, Baschirotto C, Arnoldi A, Tonelli A, Tenderini E, Airoldi G, Martinuzzi A, Trabacca A, Losito L, Scarlato M, Benedetti S, Scarpini E, Spinicci G, Bresolin N, Bassi MT. Mutations in the motor and stalk domains of KIF5A in spastic paraplegia type 10 and in axonal Charcot-Marie-Tooth type 2. Clin Genet.  2012 Aug;82(2):157-64.
• Crimella C, Cantoni O, Guidarelli A, Vantaggiato C, Martinuzzi A, Fiorani M, Azzolini C, Orso G, Bresolin N, Bassi MT. A novel nonsense mutation in the APTX gene associated with delayed DNA single-strand break removal fails to enhance sensitivity to different genotoxic agents. Hum Mutat. 2011 Apr;32(4):E2118-33.
• Arnoldi A, Crimella C, Tenderini E, Martinuzzi A, D'Angelo MG, Musumeci O, Toscano A, Scarlato M, Fantin M, Bresolin N, Bassi MT. Clinical phenotype variability in patients with hereditary spastic paraplegia type 5 associated with CYP7B1 mutations. Clin Genet. 2012 Feb;81(2):150-7.
• Panagiotakaki E, Gobbi G, Neville B, Ebinger F, Campistol J, Nevsímalová S, Laan L, Casaer P, Spiel G, Giannotta M, Fons C, Ninan M, Sange G, Schyns T, Vavassori R, Poncelin D; ENRAH Consortium, Arzimanoglou A. Evidence of a non-progressive course of alternating hemiplegia of childhood: study of a large cohort of children and adults. Brain. 2010 Dec;133(Pt 12):3598-610.
• De Palma C, Falcone S, Pisoni S, Cipolat S, Panzeri C, Pambianco S, Pisconti  A, Allevi R, Bassi MT, Cossu G, Pozzan T, Moncada S, Scorrano L, Brunelli S, Clementi E. Nitric oxide inhibition of Drp1-mediated mitochondrial fission is critical for myogenic differentiation. Cell Death Differ. 2010 Nov;17(11):1684-96.
• Airoldi G, Guidarelli A, Cantoni O, Panzeri C, Vantaggiato C, Bonato S, Grazia D'Angelo M, Falcone S, De Palma C, Tonelli A, Crimella C, Bondioni S, Bresolin N, Clementi E, Bassi MT. Characterization of two novel SETX mutations in AOA2 patients reveals aspects of the pathophysiological role of senataxin. Neurogenetics. 2010 Feb;11(1):91-100.
• Vantaggiato C, Redaelli F, Falcone S, Perrotta C, Tonelli A, Bondioni S, Morbin M, Riva D, Saletti V, Bonaglia MC, Giorda R, Bresolin N, Clementi E, Bassi MT. A novel CLN8 mutation in late-infantile-onset neuronal ceroid lipofuscinosis  (LINCL) reveals aspects of CLN8 neurobiological function. Hum Mutat. 2009 Jul;30(7):1104-16.
• Crimella C, Arnoldi A, Crippa F, Mostacciuolo ML, Boaretto F, Sironi M, D'Angelo MG, Manzoni S, Piccinini L, Turconi AC, Toscano A, Musumeci O, Benedetti S, Fazio R, Bresolin N, Daga A, Martinuzzi A, Bassi MT. Point mutations and a large intragenic deletion in SPG11 in complicated spastic paraplegia without thin corpus callosum. J Med Genet. 2009 May;46(5):345-51.
• Riano E, Martignoni M, Mancuso G, Cartelli D, Crippa F, Toldo I, Siciliano G, Di Bella D, Taroni F, Bassi MT, Cappelletti G, Rugarli EI. Pleiotropic effects of spastin on neurite growth depending on expression levels. J Neurochem. 2009 Mar;108(5):1277-88.
• De Palma C, Falcone S, Panzeri C, Radice S, Bassi MT, Clementi E. Endothelial nitric oxide synthase overexpression by neuronal cells in neurodegeneration: a link between inflammation and neuroprotection. J Neurochem. 2008 Jul;106(1):193-204.
• Arnoldi A, Tonelli A, Crippa F, Villani G, Pacelli C, Sironi M, Pozzoli U, D'Angelo MG, Meola G, Martinuzzi A, Crimella C, Redaelli F, Panzeri C, Renieri A, Comi GP, Turconi AC, Bresolin N, Bassi MT. A clinical, genetic, and biochemical characterization of SPG7 mutations in a large cohort of patients with hereditary  spastic paraplegia. Hum Mutat. 2008 Apr;29(4):522-31.
• Crippa F, Panzeri C, Martinuzzi A, Arnoldi A, Redaelli F, Tonelli A, Baschirotto C, Vazza G, Mostacciuolo ML, Daga A, Orso G, Profice P, Trabacca A, D'Angelo MG, Comi GP, Galbiati S, Lamperti C, Bonato S, Pandolfo M, Meola G, Musumeci O, Toscano A, Trevisan CP, Bresolin N, Bassi MT. Eight novel mutations in SPG4 in a large sample of patients with hereditary spastic paraplegia. Arch Neurol. 2006 May;63(5):750-5.
• Panzeri C, De Palma C, Martinuzzi A, Daga A, De Polo G, Bresolin N, Miller CC, Tudor EL, Clementi E, Bassi MT. The first ALS2 missense mutation associated with JPLS reveals new aspects of alsin biological function. Brain. 2006 Jul;129(Pt 7):1710-9.
• Bassi MT, Bresolin N, Tonelli A, Nazos K, Crippa F, Baschirotto C, Zucca C, Bersano A, Dolcetta D, Boneschi FM, Barone V, Casari G. A novel mutation in the ATP1A2 gene causes alternating hemiplegia of childhood. J Med Genet. 2004 Aug;41(8):621-8.
• Borgatti R, Zucca C, Cavallini A, Ferrario M, Panzeri C, Castaldo P, Soldovieri MV, Baschirotto C, Bresolin N, Dalla Bernardina B, Taglialatela M, Bassi MT. A novel mutation in KCNQ2 associated with BFNC, drug resistant epilepsy, and mental retardation. Neurology. 2004 Jul 13;63(1):57-65.

Collaborazioni

• Prof. Elena I. Rugarli, MD, Institute for Genetics, CECAD Research Center, University of Cologne, Joseph-Stelzmann-Str. 26, 50931 Köln, Germany
• Prof. William J. Griffiths, MRSC, CChem, Chair in Mass Spectrometry, Institute of Mass Spectrometry, College of Medicine, Grove Building Swansea University Singleton Park Swansea SA2 8PP, Wales, UK
• Prof G Borsani, Dott E. Giacopuzzi, Univ. di Brescia
• Dott. F.M. Santorelli , Laboratorio Medicina Molecolare, IRCCS Stella Maris, Pisa
• Prof. R Liguori, Clinica Neurologica, IRCCS Istituto delle Scienze Neurologiche, Università di Bologna, Pad G1 - Ospedale Bellaria, Via Altura 3, 40139 Bologna
• Prof. N Bresolin - Ospedale Maggiore Policlinico Fondazione Ca’ Granda, Università di Milano, Milano
• Prof A. Ballabio TIGEM, Pozzuoli (Napoli) 
• Dott R. Polishchuk , TIGEM,  Pozzuoli (Napoli)