Neurotrofine

neurotrofine

Fattori proteici che regolano la crescita, la sopravvivenza e la morfologia delle popolazioni di neuroni, durante lo sviluppo e nel cervello adulto; le n. sono inoltre in grado di influenzare importanti funzioni neuronali come eccitabilità, sinaptogenesi e plasticità sinaptica. La scoperta dell’NGF (Nerve Growth Factor) ha suggerito l’esistenza di proteine analoghe, ma attive su altre popolazioni nervose che non rispondono all’NGF: queste sono state collettivamente denominate n., poiché esplicano un ruolo fondamentale per la sopravvivenza delle loro cellule bersaglio.

Paradigma neurotrofico: dall’NGF alle neurotrofine

La scoperta dell’NGF (➔) e la caratterizzazione delle sue azioni (azioni tropiche, trofiche e differenziative) hanno creato il paradigma generale delle interazioni trofiche tra i neuroni e le cellule bersaglio con cui i neuroni stessi contraggono sinapsi. Durante lo sviluppo del cervello (➔) dei vertebrati, viene prodotto un numero di neuroni in eccesso, molti dei quali vanno incontro a morte per apoptosi (➔). Il paradigma neurotrofico spiega questo fatto con la competizione, da parte dei neuroni che innervano il territorio bersaglio, per una risorsa neurotrofica prodotta in quantità limitanti. Secondo il paradigma neurotrofico, i neuroni in via di sviluppo, dopo aver prodotto le fibre assonali in direzione del territorio cellulare bersaglio (azione tropica), una volta stabiliti i contatti sinaptici, diventano dipendenti dai loro bersagli per poter sopravvivere (azione trofica) e per completare il loro differenziamento (azione differenziativa). I neuroni che non riescono a captare una sufficiente quantità di NGF vanno appunto incontro a morte per apoptosi. Questo garantisce che ogni cellula bersaglio sia innervata, e continui a esserlo, dal giusto numero di afferenze e di sinapsi e che ogni assone innervi il giusto numero di cellule bersaglio, con un adeguato numero di terminazioni sinaptiche. Questa regolazione del grado di convergenza (numero di fibre nervose che confluiscono su una cellula bersaglio) e divergenza (numero di connessioni stabilite da un dato neurone) è una diretta conseguenza delle interazioni trofiche tra i neuroni e i loro bersagli. Nei neuroni adulti, dopo che il differenziamento (➔ differenziamento neuronale) è completato, l’NGF rilasciato dalla cellula postsinaptica viene captato dal neurone e trasportato in modo retrogrado lungo l’assone, per raggiungere il corpo cellulare, dove esercita un’azione di mantenimento del fenotipo differenziato e delle connessioni sinaptiche. Queste proprietà, dimostrate dapprima per l’NGF, hanno permesso di delineare una strategia generale che caratterizza lo sviluppo del sistema nervoso dei vertebrati, con sovrapproduzione iniziale di cellule nervose e successiva selezione in base alla competizione per il supporto trofico limitato fornito dalle cellule bersaglio. D’altra parte, l’NGF si caratterizza per una marcata selettività cellulare, nel senso che solo alcuni tipi neuronali rispondono all’azione trofica di questa molecola: i neuroni simpatici nel sistema nervoso periferico, una sottopopolazione di neuroni sensoriali dei gangli della radice dorsale, e i neuroni colinergici del prosencefalo basale nel sistema nervoso centrale. Questo ha portato a suggerire l’esistenza di altri fattori neurotrofici, dotati di proprietà simili a quelle dell’NGF, attivi su uno spettro distinto di popolazioni neuronali.

Famiglia delle neurotrofine

Le intense ricerche effettuate negli anni 1980-90 hanno effettivamente dimostrato che esiste una famiglia di molecole neurotrofiche simili all’NGF, denominate neurotrofine. Il primo di questi nuovi fattori, il Brain Derived Neurotrophic Factor (➔ BDNF), fu purificato nel 1982 da estratti cerebrali saggiati per la capacità di determinare la sopravvivenza di neuroni non sensibili all’NGF, ma fu soltanto nel 1989 che la determinazione della sua sequenza amminoacidica ne dimostrò l’elevata omologia con la sequenza dell’NGF. Questo motivò una ricerca per omologia genica e si giunse rapidamente all’individuazione di altri due membri della famiglia di fattori neurotrofici, ossia n.-3 (NT-3), n.-4 e n.-5 (NT-4 e NT-5). Membri della famiglia delle n. sono stati trovati e caratterizzati in tutte le specie di vertebrati (per es. le NT-6 e NT-7 nei pesci), in altri deuterostomi (come nell’anfiosso, nel verme Saccoglossus kowalevskii e nel riccio di mare) e, recentemente, anche in protostomi (DNT1 e DNT2 in Drosophila melanogaster). In questo quadro filogenetico,  la superfamiglia delle n. potrebbe avere avuto origine da una n. ancestrale presente negli Urbilateria (l’antenato comune a tutti gli organismi bilaterali), con una duplicazione genica indipendente nei vertebrati e negli invertebrati. Oltre a un’elevata omologia di sequenza, la risoluzione della loro struttura cristallografica ha dimostrato che le n. condividono una struttura tridimensionale simile, formando un caratteristico ’nodo di cisteine’ (cystein knot). La specificità cellulare delle varie n. è distinta e complementare. Per es., il BDNF non esercita alcuna azione neurotrofica sui neuroni simpatici (sui quali l’NGF è invece molto attivo), mentre promuove la sopravvivenza di neuroni del ganglio nodoso sui quali invece l’NGF è inefficace. Ancora, la NT-3 è l’unica tra le n. a promuovere la sopravvivenza della maggior parte dei neuroni propriocettivi. Viene così avvalorato il concetto che la sopravvivenza e la crescita di differenti popolazioni neuronali, sia nel sistema nervoso periferico sia nel sistema nervoso centrale, dipendono da differenti neurotrofine.

Recettori Trk e p75NTR

Le azioni cellulari specifiche e selettive delle n. sono mediate dalle loro interazioni con due classi di recettori di membrana: i recettori tirosinchinasi Trk e il recettore p75NTR, che sono espressi solo in certe sottopopolazioni di neuroni. Si conoscono tre recettori Trk, dotati di un singolo dominio transmembrana, con un dominio citoplasmatico costituito da una tirosinchinasi che si attiva quando il dominio extracellulare del recettore viene legato dalla neurotrofina. Il recettore TrkA è principalmente un recettore per l’NGF, il TrkB per il BDNF, l’NT-4 e l’NT-5 e il recettore TrkC per l’NT-3. Inoltre, tutte le n. possono legarsi al recettore p75NTR, che agisce da corecettore con i vari Trk, aumentandone l’affinità di legame per le neurotrofine. Lo studio di topi knock-out, in cui i geni per le n. o per i vari recettori Trk sono stati inattivati mediante ricombinazione omologa, ha pienamente confermato il ruolo delle n. come fattori di sopravvivenza delle rispettive popolazioni neuronali bersaglio nel sistema nervoso periferico. Sorprendentemente, invece, gli effetti fenotipici osservati sulle popolazioni bersaglio nel sistema nervoso centrale (che pure, in vitro, sono sensibili alle varie n.) sono minimi. Questo suggerisce che, a differenza di quanto accade nel sistema nervoso periferico, nel corso dello sviluppo del sistema nervoso centrale carenze di singole n. possano attivare meccanismi compensatori. In ogni caso, il ruolo che le n. esercitano nel sistema nervoso centrale pare più legato al mantenimento e alla regolazione del fenotipo differenziato che non alla sopravvivenza in quanto tale. Due sviluppi  hanno aperto nuove prospettive per interpretare sotto una nuova luce la funzione delle n. nel sistema nervoso centrale postnatale: il loro ruolo nella plasticità sinaptica del cervello postnatale e il ruolo biologico delle forme immature delle n. (proneurotrofine), distinto e differente dal ruolo delle n. mature.

Neurotrofine e plasticità sinaptica

Nel sistema nervoso centrale postnatale, l’espressione delle n. e dei loro recettori è finemente regolata dall’attività elettrica e sinaptica. Per es., nell’ippocampo l’espressione delle n. e dei loro recettori è aumentata a seguito di stimolazioni che inducono potenziamento a lungo termine (➔). Anche la secrezione di n. da parte dei neuroni centrali è sotto il controllo dell’attività neuronale. Questi fatti hanno suggerito la possibilità che le n. possano avere, nel sistema nervoso centrale postnatale, un ruolo funzionale legato alla plasticità sinaptica. In effetti, il ruolo delle n. nella stabilizzazione di processi dipendenti dall’esperienza, nel cervello postnatale, è stato ben dimostrato sia nell’ippocampo sia nella neocorteccia (in partic., nella corteccia visiva). Topi knock-out in cui il gene del BDNF è stato inattivato mostrano difetti nel potenziamento a lungo termine e in compiti di apprendimento e memoria. La somministrazione di BDNF in questi topi  knock-out elimina i difetti di plasticità sinaptica, escludendo quindi che il difetto sia legato a un alterato sviluppo e dimostrando l’effetto diretto del BDNF nella regolazione del potenziamento a lungo termine. Nel sistema visivo, è stato dimostrato che le n. hanno un ruolo diretto nella modulazione dell’innervazione binoculare alla corteccia visiva, durante il cosiddetto periodo critico (➔). In questo sistema, che costituisce un paradigma fisiologico di plasticità sinaptica dipendente dall’esperienza, le fibre provenienti dai due occhi competono per l’innervazione delle cellule corticali postsinaptiche, come dimostrato dagli esperimenti classici di deprivazione monoculare. Questa competizione, che dipende dallo stato di attività dei neuroni, coinvolge le neurotrofine. Le n. NGF, BDNF, NT-4 e NT-5 sono in grado di influenzare con molta efficacia gli effetti della deprivazione monoculare, dimostrando che la modulazione sperimentale dei livelli di n. modifica l’esito della competizione a livello corticale, e influenza la durata del periodo critico. Questo ruolo delle n. nella plasticità sinaptica postnatale sposta a livello sinaptico le classiche azioni neurotrofiche di sopravvivenza, e prospetta per le n. stesse un ruolo sinaptotrofico di stabilizzazione sinaptica locale, dipendente dall’attività elettrica. In accordo con questo ruolo, è stato dimostrato che il BDNF modula la sintesi proteica locale a livello sinaptico e che, a sua volta, egli stesso è oggetto di sintesi proteica locale, a partire da mRNA indirizzato ai dendriti in modo dipendente dall’attività (➔ microRNA e cervello).

Complessità emergente del sistema delle neurotrofine e dei loro recettori

Tutte le n. sono sintetizzate a partire da un precursore (proneurotrofina) che viene tagliato proteoliticamente, lungo la via secretoria (da proteasi quali la furina), o anche fuori dalla cellula (da proteasi extracellulari quali l’attivatore del plasminogeno tPA), per generare la forma matura della n. stessa. Fino a poco tempo fa, si reputava che le proneurotrofine immature avessero esclusivamente un ruolo di assistenza al ripiegamento delle n. mature (ruolo, peraltro, dimostrato in vitro), e che soltanto queste ultime fossero dotate di una propria intrinseca attività biologica sulle cellule bersaglio. Tuttavia, nel sistema nervoso centrale si ritrovano alti livelli di proneurotrofine nella forma immatura. Sono state quindi studiate le proprietà delle proneurotrofine (in partic., di pro-NGF e pro-BDNF), dimostrando che esse hanno caratteristiche di segnalazione indipendenti, molto differenti da quelle delle loro controparti mature. Infatti, le proneurotrofine immature si legano al recettore p75NTR con un’affinità molto più elevata delle corrispondenti forme mature, mentre l’affinità delle proneurotrofine per i rispettivi recettori Trk è significativamente inferiore. Inoltre, è stato scoperto un recettore specifico per la regione ‘pro’ del pro-NGF, denominato sortilina (appartenente alla famiglia dei recettori Vps10p). Le differenze di legame con i recettori tra le proneurotrofine e le n. mature corrispondono a proprietà biologiche distinte. Nel caso del pro-NGF, mentre la forma matura ha le ben note proprietà neurotrofiche, la forma immatura pro-NGF presenta inaspettate proprietà apoptotiche. Nel caso del pro-BDNF, mentre la forma matura promuove il potenziamento sinaptico, la forma immatura pro-BDNF facilita il processo opposto di depressione a lungo termine (➔), dimostrando un controllo bidirezionale della plasticità sinaptica da parte del sistema BDNF/pro-BDNF. Il sistema delle n. e dei loro recettori presenta, pertanto, una crescente complessità, essendo costituito da ligandi presenti in due forme, con attività biologiche spesso opposte tra loro, e da almeno tre tipi recettoriali differenti (Trk, p75NTR e sortiline). Risulta quindi chiaramente che, nel sistema nervoso centrale adulto, le azioni biologiche delle n. in vivo vanno oltre la pura e semplice azione neurotrofica di sopravvivenza, e sono regolate in un delicato equilibrio tra i livelli e le attività delle varie forme di ligandi e dei corrispondenti recettori. Alterazioni anche lievi di questo complesso equilibrio tra azioni contrapposte ‒ che è stato definito ‘lo Yin e lo Yang’ dell’attività delle n. – possono avere profonde conseguenze sull’omeostasi e la corretta funzionalità dei circuiti nervosi bersaglio delle n., e sono infatti state implicate nell’insorgenza di forme di neurodegenerazione (➔) progressiva che si riscontrano in situazioni patologiche umane.