CORSO DI AGGIORNAMENTO: ATASSIE EREDITARIE

Le atassie autonomiche recessive (A. Filla)
Recentemente è stata proposta una classificazione patogeneticadelle atassie ereditarie (AE) in cinque principali categorie [1]: (1) mitocondriali; (2) metaboliche; (3) da difetto di riparazione del DNA; (4) da alterato folding e degradazione delle proteine; (5) da canalopatie.
Le atassie autosomiche recessive cadono nei primi quattro gruppi, ma in diverse forme il meccanismo patogenetico non è ancora stato chiarito. Le atassie mitocondriali sono causate da mutazioni a carico di proteine mitocondriali codificate dal DNA nucleare o mitocondriale (mtDNA). L'atassia di Friedreich (FRDA), la sindrome con atassia recessiva mitocondriale (MIRAS) [2] e l'atassia spinocerebellare ad esordio infantile (IOSCA) [3] appartengono al primo gruppo. Mutazioni puntiformi nel mtDNA causano MERFF, NARP e larghe delezioni sono responsabili della sindrome di Kearns-Sayre. L'atassia può essere anche un segno del deficit parziale muscolare del coenzima Q10 (CoQ10) [4].
Le atassie associate a difetto di riparazione del DNA comprendono le EA causate da mutazione di proteine che intervengono nel segnalare, trasmettere e riparare il danno al DNA.
Possono essere suddivise in due gruppi a secondo che il danno coinvolga il singolo (SSBR) o il doppio (DSBR) filamento di DNA.
L'atassia telangiectasia (AT) e l'AT-like disorder (ATLD) cadono nel primo gruppo dove possono essere presenti instabilità cromosomica, sensibilità alle radiazioni ionizzanti e tumori. La atassia spinocerebellare con neuropatia 1 (SCAN1) l'atassia con aprassia oculomotoria tipo 1 (AOA1) e probabilmente la tipo 2 (AOA2) lo xeroterma pigmentosum (XP) e la sindrome di Cockayne (CS) rientrano nel secondo gruppo Le atassie recessive associate ad alterato folding e degradazione delle proteine possono essere causate da mutazioni di chaperoni e comprendono: la atassia spastica autosomica recessiva di Charlevoix-Saguenay (ARSACS) e la sindrome di Marinesco-Sjögren (MSS). Altre atassie recessive che non ricadono nei gruppi precedenti includono le atassie congenite, l'atassia ad esordio precoce con conservazione dei riflessi osteotendinei (EOCA) e le atassie cerebellari con ipogonadismo, segni oculari, sordità, mioclono o segni extrapiramidali.
FRDA è la malattia mitocondriale più comune ed è l'atassia recessiva ad esordio precoce più frequente in Europa, dove rappresenta circa il 50% delle casistiche.. L'atassia cerebellare con deficit parziale di CoQ10 è stata descritta in un piccolo numero di pazienti. AT è la causa più comune di atassia cerebellare progressiva della prima infanzia..In Giappone, dove FRDA è assente, AOA1 è la forma più frequente di atassia autosomica recessiva ed è la seconda in Portogallo dopo FRDA. AOA2 è presente nell'8% dei pazienti non FRDA con atassia autosomica recessiva in una serie francese.
ARSACS è stata identificata in una serie di famiglie nella regione di Charlevoix-Saguenay, nel nord est del Quebec dove la frequenza del carrier è di 1/22 [14]. La malattia è presente anche in nord Africa, Giappone, Italia meridionale, Spagna e Turchia. Non ci sono dati di prevalenza per la MSS. EOCA è la seconda più comune atassia recessiva con una prevalenza da 0,8 a 1,5x10-5 in Europa, la metà circa di quella di FRDA Genetica e patogenesi.
Il gene FRDA (X25) codifica per la fratassina, una proteina mitocondriale di 210 aminoacidi. Il 98% degli alleli patologici ha un'anomala espansione della tripletta guanina- adenina-adenina (GAA) nel primo introne del gene, mentre mutazioni missense e troncanti sono presenti nel restante 2%. L'espansione GAA inibisce l'espressione genica causando una marcata riduzione della proteina negli omozigoti. Pertanto FRDA è una malattia da perditadi funzione Modelli di lievito ed animali e studi nell'uomohanno mostrato l'accumulo di ferro intramitocondriale.
Mutazioni dominanti causano un'oftalmoplegia esterna progressiva (PEO) associata a delezioni multiple del mtDNA. Mutazioni recessive sono responsabili di due forme di atassia non associate ad instabilità del mtDNA: MIRAS (POLG1) e IOSCA (C10orf2) . Mutazioni del gene e della proteina ATM sono responsabilidi AT. La proteina ATM è il "master controller" della risposta al danno al doppio filamento. ATM è una serina treonina chinasi in grado di fosforilare numerosi substrati coinvolti non solo nel meccanismo di riparo del DNA ma anche nella regolazione del ciclo cellulare, nella proliferazione cellulare e nella soppressione tumorale Mutazioni di MRE11 causano ATLD.
Mutazioni missense e troncanti del gene APTX sono responsabili di AOA1. APTX codifica tramite splicing alternativo per aprataxina, una proteina nucleare ubiquitariamente espressa nei vari tessuti. L'RNA messaggero più rappresentato codifica una variante proteica di 342 aminoacidi caratterizzata da tre domini: "zinc finger", "histidine triad" (HIT), e un dominio con parziale omologia per la 5'-polinucleotide chinasi/3'-fosfatasi, una proteina coinvolta nel SSBR. Finora tutte le mutazioni descritte cadono nel dominio HIT o "zinc finger". SCAN1 è causata da mutazioni nel gene TDP1, che codifica per una tirosil-DNA fosfodiesterasi, che permette la rottura del legame covalente tra la topoisomerasi I ed il DNA durante la replicazione o la trascrizione.
In AOA2 sono state identificate mutazioni recessive del gene SETX. Quest'ultimo codifica per senatassina, una proteina di 2677 aminoacidi a funzione tuttora sconosciuta. Per diventare funzionalmente attive le catene proteiche di nuova sintesi devono ripiegarsi in una conformazione tridimensionale basata sulla sequenza aminoacidica.
Sebbene in vitro molte proteine possano ripiegarsi spontaneamente, in vivo un gruppo di proteine denominate "chaperoni" sono essenziali affinché il folding proteico si verifichi con elevata efficienza. Oltre ad intervenire nel folding, gli chaperoni sono coinvolti in altri processi cellulari che includono il targeting e degradazione delle proteine e la trasduzione del segnale. Le mutazioni missense e troncanti nel gene SACS sono responsabili di ARSACS. La struttura del gene non è stata ancora definita. Le malattie mitocondriali sono multisistemiche. FRDA èun esempio. Alla compromissione del sistema nervoso centrale e periferico si associa quella endocrina (diabete), cardiaca e di organi sensoriali (occhio ed orecchio).
In pazienti con FRDA tipico l'esordio si verifica usualmente nella prima adolescenza. C'è una correlazione inversa tra il numero di ripetizioni GAA sull'allele minore e l'età di esordio. La malattia è caratterizzata da atassia progressiva, disartria, riflessi osteotendinei assenti, segno di Babinski ed ipopallestesia. Deformità scheletriche (piede cavo e scoliosi) sono pressoché costanti.
L'ipertrofia del ventricolo sinistro è frequente. Il diabete può presentarsi negli stadi tardivi di malattia. Pochi pazienti sono eterozigoti composti per l'espansione GAA su un allele e una mutazione puntiforme missense o troncante sull'altro. Questi pazienti hanno un esordio più precoce e minore frequenza di disartria . Il clonaggio del gene FRDA ha consentito di ampliare il fenotipo. In particolare sono state identificate due varianti: il 12% dei pazienti ha FRDA con esordio dopo i 25 anni fino alla sesta decade (LOFA); il 13% ha FRDA con conservazione dei riflessi osteotendinei (FARR). Esordio tardivo e conservazione dei rilessi coesistono frequentemente e suggerisco una prognosi migliore. Entrambi i segni sono associati ad un'espansione GAA significativamente minore nell'allele più cortoSono state anche riportate varianti senza disartria e neuropatia periferica o con spasticità o corea.
Per quanto riguarda le altre atassie mitocondriali dovute a mutazioni di geni nucleari, l'età di esordio è molto precoce in IOSCA e varia dalla prima alla quarta decade in MIRAS e nel deficit di CoQ10. Alla atassia si associano molto frequentemente epilessia, ritardo mentale, demenza, oftalmoplegia e neuropatia periferica. Il tremore e mioclono possono essere presenti in MIRAS e deficit di CoQ10, segni piramidali nel deficit di CoQ10, atrofia ottica e sordità in IOSCA, ad ipogonadismo ipergonadotropo in IOSCA e deficit di CoQ10. La risonanza magnetica mostra un alterato segnale nel cervelletto, olive, talamo e corteccia occipitale in MIRAS.
Le EA associate a difetto di riparazione del DNA hanno diversi segni in comune. L'atassia e la neuropatia periferica sono constanti. L'aprassia oculomotoria ed i segni extrapiramidali sono frequenti. Segni extraneurologici, ad esempio tumori ed aberrazioni cromosomiche sono presenti quando sono coinvolte proteine del riparo del doppio filamento di DNA. Marker biochimici periferici sono l'aumento dei livelli di ?-fetoproteina, ipercolesterolemia ed ipoalbuminemia.
AT è caratterizzata da una triade di segni clinici: un disturbo neurologico progressivo complesso, teleangectasie e deficit immunitario. L'atassia cerebellare esordisce quando il bambino inizia a camminare. Possono essere presenti coreoatetosi, ipomimia e scialorrea. Nel tentativo di guardare un oggetto il paziente gira prima la testa e gli occhi seguono lentamente (aprassia oculomotoria). È costante la neuropatia, prevalentemente sensitiva. Le teleangectasie si sviluppano usualmente più tardivamente e sono più evidenti nelle congiuntive. I pazienti hanno un deficit dell'immunità cellulare ed umorale con infezioni respiratorie ricorrenti, bronchiectasie ed aumentata frequenza di neoplasie linforeticolari, carcinomi e gliomi. Gli eterozigoti hanno un aumentato rischio di tumore, principalmente del seno. Suggeriscono la diagnosi livelli elevati di ?-fetoproteina, basi livelli di immunoglobuline, traslocazioni cromosomiche 7-14 all'esame del cariotipo ed aumentata sensibilità alle radiazioni ionizzanti sia dei fibroblasti che dei linfoblasti L'assenza della proteina ATM al western blot conferma la diagnosi. Una aumentata radiosensibilità delle cellule in coltura si verifica anche in ATDL, che ha un esordio più tardivo ed un decorso più mite rispetto ad AT.
I segni extraneurologici sono assenti nelle atassie da alterato SSBR. L'esordio si verifica nella prima decade in AOA1 e nella seconda in AOA2 e SCAN1. Atassia e neuropatia periferica sono costanti in tutte le forme. L'aprassia oculomotoria, la coreoatetosi e la distonia sono frequenti in AOA1 e AOA2. I dati di laboratorio che orientano verso la diagnosi sono l'aumento dell'?-fetoproteina in AOA2, aumento della creatinchinasi in AOA1 e AOA2, ed una riduzione dell'albumina ed aumento del colesterolo in tutte e tre le forme. Un deficit parziale di CoQ10 muscolare è stata dimostrata in una famiglia con AOA1. XP è caratterizzato da una estrema fotosensibilità della pelle e degli occhi con un aumento di frequenza di 1000 volte di neoplasie cutanee ed oculari. Circa il 30% dei pazienti ha dei segni neurologici che in genere si manifestano prima dei 30 anni. Tali segni sono variabili ed includono: atassia, coreoatetosi, neuropatia periferica, ritardo mentale e demenza, epilessia, spasticità, ipoacusia. Possono essere presenti microcefalia, bassa statura ed ipogonadismo. L'associazione di XP con severi segni neurologici, nanismo ed ipogonadismo definisce la sindrome di De Sanctis- Cacchione . La sensibilità cutanea alla luce solare ma senza predisposizione ai tumori caratterizza la sindrome di Cockayne. I principali segni della malattia sono: un marcato deficit della crescita somatica e cerebrale postatale con spiccato nanismo e ritardo mentale, associati ad un deterioramento progressivo del sistema nervoso centrale e periferico con atassia, spasticità, ipoacusia, atrofia ottica, retinopatia pigmentaria e polineuropatia demielininizzante Atassie associate ad alterato folding e degradazione delle proteine ARSACS ha un fenotipo tipico con atassia spastica ad esordio molto precoce, neuropatia periferica progressiva e deformità scheletriche.
MSS è caratterizzata dalla triade di atassia cerebellare, cataratta e ritardo mentale. Altri segni includono miopatia progressiva, bassa statura, anomalie scheletriche ed ipogonadismo ipergonadotropo. La maggior parte dei pazienti ha elevata creatinchinasi. Alla microscopia elettronica del muscolo si osserva una densa struttura membranosa che circonda il nucleo. EOCA è clinicamente e geneticamente eterogeneo. La trasmissione è autosomica recessiva nella maggiorparte dei casi. Circa il 15% dei pazienti con fenotipo EOCA ha mutazioni nel gene della fratassina. EOCA differisce da FRDA nella conservazione dei riflessi rotulei. Altri segni distintivi sono una migliore prognosi e l'assenza di severe deformità scheletriche, cardiomiopatia e diabete mellito. L'esordio si verifica nelle prime due decadi con atassia progressiva. Segni corticospinali sono presenti in 2/3 dei pazienti e neuropatia periferica in 1/3.

Le atassie dominanti (S.Di Donato)
Le atassie spinocerebellari dominanti (SCA) sono caratterizzate da un'atassia ad andamento progressivo variabilmente associata ad altri sintomi neurologici. Le SCA sono clinicamente e geneticamente assai eterogenee e risultano al momento associate a 27 loci . I geni della malattia sono stati identificati ad oggi in 14 diverse forme di SCA (SCA1-8, 10, 12, 13, 14, 17, 27, e DRPLA) Le SCA1-3, 6, 7 e 17 e l'atrofia dentatorubro-pallidoluisiana (DRPLA) sono dovute ad unico tipo di mutazione, presente nei diversi geni, consistente nell'espansione di un tratto ripetuto di CAG in regioni esoniche codificanti; le espansioni CAG vengono trascritte e tradotte in una lunga sequenza di poliglutamine(poliQ) nelle proteine corrispondenti. Ne consegue che le proteine codificate dall'allele espanso vengono a contenere un tratto con una estesa ripetizione poliQ, fatto che determina un'alterazione della conformazione della proteina (misfolding), che diventa patogena per acquisizione di una funzione nuova, tossica per la cellula ("toxic gain of function") e caratterizzata da tendenza alla formazione di aggregati proteici intracellulari.
Il "guadagno" tossico di funzione si associa a complessi, e non del tutto noti, eventi cellulari che interferiscono con i meccanismi omeostatici delle cellule neuronali, principalmente il controllo del "folding" proteico, la degradazione delle proteine a livello del proteasoma, il controllo trascrizionale, il trasporto assonale, il metabolismo energetico. I segni clinici sono l'espressione di una progressiva degenerazione che interessa principalmente il cervelletto, il tronco e il midollo spinale. SCA1-3, 6, 7, 17 e DRPLA sono associate ad un'espansione di un tratto ripetuto di CAG tradotto in lunghe sequenze poliQ.
Le espansioni maggiori sono associate, nelle generazioni successive, ad un'età di esordio più precoce e un quadro sintomatologico più grave. La presentazione clinica più comune delle SCA è una forma di atassia "plus" trasmessa con modalità autosomica dominante, caratterizzata da un'associazione variabile di sintomi cerebellari, oftalmoplegia sopranucleare, movimenti oculari saccadici lenti, atrofia ottica, segni piramidali ed extrapiramidali, demenza lieve-moderata, amiotrofia e neuropatia periferica. Tale presentazione corrisponde alla classificazione ADCA I di Harding.
Il quadro neuropatologico più frequente è quello di un'atrofia olivopontocerebellare .Entità genetiche diverse in questa categoria possono condividere caratteristiche patologiche comuni, come ad esempio SCA1 e SCA2. I soggetti affetti da queste patologie presentano una perdita estesa delle cellule del Purkinje e una degenerazione dei nuclei pontini e delle olive inferiori. La sostanza nera è interessata nei pazienti affetti da SCA2 ma non in quelli con SCA1, fatto che si associa con relativa frequenza a presenza di una sindrome parkinsoniana nella SCA2. Nella SCA3 le cellule del Purkinje e le olive inferiori sono meno colpite, ma è presente una marcata degenerazione dei nuclei della colonna di Clarke e dei nuclei vestibolari e pontini. Nella SCA6 è presente una consistente perdita di cellule del Purkinje, di cellule dei granuli e dei nuclei dentati, ma il tronco e il midollo non sono generalmente interessati.
Nei soggetti affetti da SCA7, le cellule del Purkinje, le olive inferiori e i nuclei dei nervi cranici sono gravemente interessati. Sono inoltre colpite le cellule gangliari della retina, il tratto ottico e la corteccia visiva, determinando un fenotipo unico associato a questo genotipo. Nella SCA17 si verifica, nel cervelletto, un'importante perdita di cellule del Purkinje che si associa ad una degenerazione dei neuroni corticali e una, meno pronunciata, dei nuclei olivari. La DRPLA determina una perdita marcata di cellule nel globo pallido, striato, corteccia cerebrale, nucleo subtalamico, rosso e dentato. La perdita cellulare dello strato cerebellare delle cellule del Purkinje è quindi una caratteristica presente nella maggior parte delle SCA, ma la neuropatologia "fine" differisce tra i diversi tipi di malattia.
Studi recenti hanno dimostrato che la neurodegenerazione correlata alle SCA potrebbe trarre origine direttamente dall'espansione della sequenza di poliglutamine poiché:
(i) la gravità della malattia e l'estensione dell'interessamento del SNC sono correlate positivamente con la lunghezza del tratto poliQ;
(ii) modelli cellulari e transgenici con proteine complete o frammenti proteici contenti il tratto espanso mostrano rispettivamente morte cellulare e neurodegenerazione;
(iii) in un modello di topo transgenico l'introduzione di un tratto poliQ nell'enzima citosolico house keeping ipoxantina-fosforibosil-trasferasi (HPRT) conferisce alla proteina una tossicità che è causa di neurodegenerazione negli animali transgenici.
Quindi le proteine mutate potrebbero "guadagnare" una nuova funzione tossica del tutto indipendente dalla funzione originaria della proteina wild type. L'alterazione conformazionale comporta proprietà adesive della proteina mutata, che determinano la formazione di aggregati proteici insolubili e resistenti alle proteasi sia nel neuropilo che nei nuclei.
contesto proteico nella patogenesi della malattia. In particolare le proteine che presentano tratti espansi di poliQ diventerebbero neurotossiche per specifici sottogruppi cellulari, a seguito di interazioni proteina-proteina altamente selettive, interazioni che sono regolate dalle specifiche proprietà della proteina patogena Questa ipotesi rivisitata potrebbe spiegare il motivo per il quale la è ristretta al SNC e a specifici sottogruppi neuronali, nonostante le proteine patogeniche poliQ siano espresse.
Nella maggior parte delle malattie da poliQ è presente un'evidenza microscopica di aggregati proteici nel citoplasma e nei nuclei dei neuroni affetti. Le inclusioni intranucleari neuronali (IIN) sono segni caratteristici di neurodegenerazione del tessuto cerebrale di pazienti affetti da SCA1, SCA3, SCA7, SCA17 e DRPLA. Aggregati sono anche presenti nel SNC di pazienti affetti da SCA2 e SCA6, ma solo, rispettivamente, nel citoplasma o nelle regioni citoplasmatiche perinucleari.
Non è ancora stato definito con certezza il ruolo degli aggregati. I neuroni che presentano gli aggregati non sono sempre i più suscettibili alla morte cellulare; Tuttavia le IIN non contengono unicamente aggregati di polipeptidi con tratti espansi di poliQ, ma comprendono anche proteine funzionalmente rilevanti quali ubiquitina, chaperonine (heat-shock proteins) e componenti del proteasoma coinvolti nel controllo di qualità del sistema di sorveglianza proteica. È interessante notare come anche diversi fattori di trascrizione vengano costantemente rilevati nelle IIN contenenti ubiquitina. La definitiva rilevanza di questi aggregati cellulari in rapporto ai processi di morte cellulare non è quindi ancora chiara.

Atassie metaboliche (A. Federico)
Le recenti ricerche acquisite nell'ambito della biochimica, delle neuroimmagini e della genetica molecolare delle sindromi atassiche consentono di identificare sostanzialmente tre gruppi di sindromi a diversa patogenesi:
- atassie metaboliche a diversa età di esordio, secondarie a variazioni di geni che regolano i livelli cerebrali e tissutali di metaboliti cerebrali che possono divenire tossici ad anomale concentrazioni per il sistema cellulare cerebellare;
- atassie congenite, secondarie ad alterazioni di geni omeobox che regolano lo sviluppo del complesso sistema cellulare cerebellare;
- atassie degenerative, in relazione all'attivazione di geni che portano alla neurodegenerazione ed all'apoptosi cellulare.
Da questi dati emerge l'ipotesi che il sistema cerebellare può essere selettivamente vulnerabile ai vari meccanismi di neurodegenerazione, dando la chiave biochimica molecolare della presenza di una prevalente ed isolata sintomatologia clinica in questo sistema, nella maggior parte di tali malattie.
In relazione allo sviluppo postnatale anche nel ratto, il cervelletto è stato da sempre utilizzato come un interessante modello in cui studiare le interazioni neurometaboliche collegate al suo sviluppo ed eventualmente alla sua neurodegenerazione.
Le atassie metaboliche possono così essere la conseguenza di una primaria disfunzione del metabolismo lisosomiale, con accumulo di sostanze che sono tossiche per le cellule, alterazioni del metabolismo perossisomale, mitocondriale, del trasporto lipidico, del sistema di riparazione del DNA, del metabolismo degli acidi organici e di alcuni aminoacidi, di alterazioni del metabolismo del ciclo dell'urea, con alterazioni di proteine dello stress, etc. Tutte queste condizioni alterano l'equilibrio metabolico di un sistema neuro-assonale particolarmente vulnerabile ad ogni disequilibrio, determinando varie condizioni più o meno gravi di atassia.

Terapie attuali e future (M. Pandolfo)
Attualmente ciò che possiamo fare per questi pazienti è prima di tutto una corretta diagnosi,poi dare un consiglio di tipo genetico, chiarificazioni sulla prognosi, seguire i pazienti in follow up clinico e cercare di migliorare la loro qualità di vita,dato che il processo neurodegenerativo è di per sé incurabile.
Il punto di partenza per pensare di poter agire sulla patogenesi è la scoperta del gene ,per provare poi a costruire un modello .Ciò che tentiamo di fare è agire in una finestra temporale in cui le cellule siano in stato di disfunzione ma non ci sia stata ancora la morte cellulare. Si è provato,ad esempio, con un modello di topo transgenico con SCA 1. Si è visto che in questi topi la frequenza di scarica delle cellule di Purkinjie è ridotta e cià è dovuto ad una iperattivazione di corrente al potassio che si chiama A. Questa corrente può essere inibita dalla 3-4 deaminopiridina a basse concentrazioni correggendo in tal modo il loro difetto motorio, mentre non è funzionante sui topi che hanno già perso i neuroni.
Inoltre, per la Friedreich, un meccanismo importante è la condensazione della cromatina,perciò sono in studiofarmaci inibitori delle istonideacetilasi che, inibendo la deacetilazione degli istoni , andrebbero a favorire la decondensazione della cromatina.
(a cura di M. Sancilio)