I ricercatori scoprono il ruolo chiave della proteina precursore dell’amiloide

Un recente studio fa luce sul modo in cui una proteina chiamata proteina precursore dell’amiloide (APP) influisce sulla crescita delle cellule nervose nella corteccia, lo strato esterno del cervello umano. I risultati suggeriscono che l’APP svolge un ruolo cruciale nel mantenere il delicato equilibrio tra proliferazione e differenziazione delle cellule staminali neurali durante le prime fasi dello sviluppo cerebrale.

La ricerca, pubblicata su Science Advances, potrebbe avere importanti implicazioni per la comprensione dei processi di neurosviluppo e delle malattie neurodegenerative.

L’APP è una proteina transmembrana di classe I ampiamente espressa durante lo sviluppo del sistema nervoso. È stata ampiamente studiata per il suo legame con la malattia di Alzheimer (AD), dove la sua frammentazione produce peptidi amiloidi che contribuiscono alla morte neuronale. Tuttavia, la funzione fisiologica dell’APP, soprattutto nel contesto dello sviluppo del cervello umano, è rimasta poco chiara.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno cercato di capire se l’APP giocasse un ruolo cruciale nella regolazione dell’equilibrio tra la proliferazione delle cellule staminali e la differenziazione in vari tipi di cellule durante la neurogenesi umana. Volevano determinare se il periodo prolungato della neurogenesi umana, che è significativamente più lungo rispetto ad altre specie, potesse essere collegato a vulnerabilità specifiche della nostra specie, come le malattie neurodegenerative come l’Alzheimer.

“Il mio laboratorio lavora sulla proteina precursore dell’amiloide da 20 anni e da tutto il lavoro precedente, nostro e di altri, ho avuto l’intuizione che ci potessero essere aspetti specifici dell’uomo nella sua funzione che non erano stati esplorati, così abbiamo deciso di esplorarli”, ha detto l’autore dello studio Bassem Hassan (@TheHassanLab), leader del team e direttore scientifico del The Paris Brain Institute.

“Allo stesso tempo, il mio laboratorio studia la neurogenesi da più di 20 anni, ma non aveva idea che l’APP potesse essere coinvolta in questo processo. Esaminando il ruolo dell’APP nello sviluppo del cervello umano, ci siamo resi conto che era coinvolta nella neurogenesi della corteccia umana in modi che erano evidenti in altri modelli, come i topi. In un certo senso, questo progetto ha finito per combinare due dei miei interessi principali”.

Per condurre lo studio, i ricercatori hanno utilizzato diversi approcci. In primo luogo hanno studiato l’espressione dell’APP durante lo sviluppo del cervello umano analizzando i dati di sequenziamento cellulare ottenuti da tessuto cerebrale fetale in diverse fasi della gestazione. Questo li ha aiutati a tracciare quando e dove l’APP era espressa in diversi tipi di cellule.

Hassan e i suoi colleghi hanno scoperto che l’APP era inizialmente espressa in sei tipi di cellule e successivamente fino a 16 tipi di cellule diverse durante lo sviluppo del cervello fetale. Questo suggerisce che il ruolo dell’APP potrebbe cambiare nel tempo durante la neurogenesi.

“Non mi sarei mai aspettato che l’APP fosse così fortemente coinvolta nelle primissime fasi dello sviluppo del cervello umano”, ha detto Hassan a PsyPost. Mi aspettavo effetti più sottili e successivi, anche se ero propenso a pensare che nell’uomo facesse qualcosa di specifico che non potevamo cogliere molto bene in altri modelli”.

Poi hanno utilizzato la tecnica di editing genico CRISPR-Cas9 per creare cellule staminali neurali derivate da cellule staminali pluripotenti indotte umane (iPSC) in cui l’espressione di APP era completamente bloccata. Ciò ha permesso di confrontare il comportamento di queste cellule geneticamente modificate con cellule neurali in normale sviluppo ottenute da fonti in vivo.

I ricercatori hanno trovato prove del fatto che l’APP svolge un ruolo significativo nella regolazione dei tempi di generazione dei neuroni dalle cellule progenitrici corticali. L’assenza di APP ha portato a cambiamenti nella tempistica della neurogenesi. In assenza di APP, le cellule progenitrici neurali passavano allo stato neurogenico prima del solito, con conseguente accelerazione della neurogenesi.

Si è scoperto che l’APP è coinvolta nella regolazione di due meccanismi genetici finemente regolati che influenzano il processo di neurogenesi nell’uomo: la segnalazione canonica WNT e l’attivazione di AP-1.

La segnalazione canonica WNT è una via cellulare fondamentale che svolge un ruolo critico in vari processi di sviluppo, compresa la proliferazione delle cellule staminali. In questo contesto, la segnalazione WNT è come un interruttore che può promuovere la divisione e la moltiplicazione delle cellule staminali neurali.

AP-1 è l’acronimo di “Activator Protein 1”, un complesso di fattori di trascrizione che aiuta a regolare l’espressione di geni specifici in una cellula. Quando AP-1 viene attivata, innesca il meccanismo genetico per produrre nuovi neuroni dalle cellule staminali neurali.

Interagendo sia con la via di segnalazione WNT canonica che con il processo di attivazione di AP-1, l’APP può orchestrare efficacemente l’equilibrio tra la proliferazione delle cellule staminali neurali e la tempistica della produzione di neuroni.

“Ci sono due messaggi da portare a casa”, ha spiegato Hassan. “Il primo è che l’APP, una proteina nota per il suo coinvolgimento nella malattia di Alzheimer, che è una malattia dell’invecchiamento e della degenerazione cerebrale, è in realtà coinvolta anche nelle primissime fasi dello sviluppo della corteccia umana, suggerendo forse un legame tra il modo in cui il cervello si sviluppa e la sua potenziale vulnerabilità alla degenerazione dipendente dall’età. La seconda è che l’APP è coinvolta nella lentezza dello sviluppo della corteccia umana, una delle tante caratteristiche che permettono al nostro cervello di crescere molto di più rispetto alla maggior parte delle altre specie”.

Lo sviluppo del cervello umano sembra essere particolarmente sensibile alla perdita di APP. I dati genetici sull’uomo indicano una tolleranza ridotta alla perdita completa di APP, mentre gli studi in vivo e in vitro su cellule progenitrici neurali di topo prive di APP non hanno mostrato alterazioni della neurogenesi.

In altre parole, l’assenza di APP ha avuto un effetto diverso sulla neurogenesi nell’uomo rispetto ai roditori. A differenza dell’uomo, nei roditori la perdita di APP non ha portato a un’accelerazione della neurogenesi.

“Nei modelli murini, la neurogenesi è già molto veloce – troppo veloce perché la privazione di APP possa accelerarla ulteriormente”, ha spiegato Hassan in un comunicato stampa. “Possiamo immaginare che il ruolo regolatore di questa proteina sia trascurabile nei topi, mentre è essenziale nel neurosviluppo della nostra specie: per acquisire la sua forma finale, il nostro cervello ha bisogno di generare enormi quantità di neuroni in un periodo molto lungo e secondo un piano definito.”

“Le anomalie legate all’APP potrebbero causare una neurogenesi prematura e uno stress cellulare significativo, le cui conseguenze sarebbero osservabili in seguito. Inoltre, le regioni cerebrali in cui compaiono i primi segni della malattia di Alzheimer impiegano più tempo a maturare durante l’infanzia e l’adolescenza”.

Lo studio suggerisce che l’assenza di APP può simulare uno stress cellulare, guidando una neurogenesi prematura. Questo potrebbe avere implicazioni per le malattie neurodegenerative come l’Alzheimer, contribuendo potenzialmente a una neurodegenerazione precoce.

“Naturalmente, l’avvertenza principale di tutti gli studi che utilizzano modelli umani ‘in vitro’ è proprio questa: in vitro”, ha osservato Hassan. “Sebbene questi modelli rappresentino un’approssimazione ragionevole e pratica, non possiamo essere certi che gli stessi effetti si verifichino in vivo in un embrione umano in via di sviluppo. Tuttavia, è l’unico metodo di cui disponiamo attualmente e, in questo caso, ci sono rapporti clinici che suggeriscono che l’APP potrebbe essere davvero necessaria per lo sviluppo precoce del cervello umano in vivo (Nguyen KV et al., doi: 10.1080/15257770.2016.1267361. PMID: 28102781; Klein S et al., doi: 10.1002/ana.24727. PMID: 27422356.).

“Molte domande rimangono da risolvere: come mai una proteina altamente conservata e presente in tutte le specie svolge un ruolo nello sviluppo della corteccia umana che non sembra svolgere, ad esempio, nei topi? In altre parole, come si passa dalla conservazione genetica alla divergenza fenotipica? Il ruolo dell’APP nella temporizzazione dello sviluppo della corteccia umana è necessario per l’intero sviluppo della corteccia umana o solo in fasi/tempi specifici? Questo ruolo è specifico della corteccia o sono interessati anche altri organi neurali?”.

“A mia conoscenza, questo è il primo esempio di un fattore genetico che sembra essere specificamente coinvolto nella tempistica complessiva dello sviluppo della corteccia umana, e mi chiedo davvero come questo si colleghi al suo ruolo nella malattia di Alzheimer”, ha aggiunto Hassan.

Lo studio, intitolato “The temporal balance between self-renewal and differentiation of human neural stem cells requires the amyloid precursor protein” (L’equilibrio temporale tra auto-rinnovamento e differenziazione delle cellule staminali neurali umane richiede la proteina precursore dell’amiloide), è stato redatto da Khadijeh Shabani, Julien Pigeon, Marwan Benaissa Touil Zariouh, Tengyuan Liu, Azadeh Saffarian, Jun Komatsu, Elise Liu, Natasha Danda, Mathilde Becmeur-Lefebvre, Ridha Limame, Delphine Bohl, Carlos Parras e Bassem A. Hassan.