Gli scienziati scoprono come la proteina tau dirotta i mitocondri e accelera l'invecchiamento cerebrale
La tau entra nei mitocondri, innesca un circolo vizioso tossico di produzione di ROS e potrebbe essere bloccabile, aprendo nuove strade per il trattamento dell'Alzheimer e delle tauopatie.
Riepilogo
La tau è nota soprattutto come la proteina che si aggroviglia nella malattia di Alzheimer e nelle demenze correlate. Questo studio dimostra che la tau svolge anche un ruolo normale all'interno dei mitocondri, le centrali energetiche della cellula. La tau entra nei mitocondri e si lega a una componente del complesso I chiamata NDUFS3, che spinge gli elettroni all'indietro lungo la catena energetica. Questo "trasporto inverso degli elettroni" produce un eccesso di specie reattive dell'ossigeno e riduce il rapporto NAD+/NADH. L'invecchiamento e lo stress da calore lo attivano, e rende anche la tau più fosforilata, creando un circolo vizioso. La rimozione della tau ha reso i moscerini e i topi più resilienti allo stress. Il blocco del trasporto inverso degli elettroni con un farmaco ha protetto moscerini, topi e neuroni derivati da cellule staminali umane dalla tossicità della tau. Ciò suggerisce un possibile bersaglio comune per diverse malattie cerebrali correlate alla tau.
Riepilogo Dettagliato
Le anomalie della tau e la disfunzione mitocondriale vanno di pari passo nella malattia di Alzheimer, nella demenza frontotemporale e nella paralisi sopranucleare progressiva (PSP), ma il modo in cui l'una causi l'altra non è ancora chiaro. Il tema è rilevante per l'invecchiamento cerebrale, perché entrambi i problemi peggiorano con l'età. Li e colleghi propongono che la tau svolga una funzione normale, finora non riconosciuta: la regolazione del trasporto inverso di elettroni mitocondriale (RET, reverse electron transport). Nel RET, gli elettroni fluiscono all'indietro attraverso il complesso I, generando grandi quantità di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e riducendo il rapporto NAD+/NADH. Nella malattia, questa funzione normale diventa patologica.
Il gruppo di ricerca ha innanzitutto cercato le firme del RET in diversi modelli. I neuroni derivati da iPSC umane con la mutazione tau-P301L mostravano più ROS, un rapporto NAD+/NADH più basso e un RET elevato nei mitocondri purificati, mentre il trasporto di elettroni in avanti restava invariato. Lo stesso quadro è emerso nei topi con tauopatia rTg4510 e PS19, nei moscerini con tau-R406W e nel tessuto cerebrale post mortem di pazienti con PSP e malattia di Alzheimer. L'isoforma 4R della tau ha indotto più RET rispetto alla 3R. Due inibitori del RET, CPT-2008 e rotenone, hanno invertito i cambiamenti.
La deplezione della tau ha prodotto l'effetto opposto. I neuroni con knockdown di tau e i topi e i moscerini knockout per tau presentavano un'attività RET ridotta quando i mitocondri venivano alimentati con substrati specifici per il RET, e i neuroni con knockdown di tau non aumentavano i ROS in risposta all'induttore del RET dietil-succinato. Moscerini e topi anziani, e animali esposti a stress da calore, mostravano più tau fosforilata e più RET. I moscerini knockout per tau resistevano allo stress da calore e vivevano più a lungo a 32°C. I topi esposti a calore a 43°C per 15 minuti al giorno per due settimane perdevano la memoria per il riconoscimento di oggetti nuovi, a meno che la tau fosse stata eliminata o fosse stato somministrato CPT.
Dal punto di vista meccanicistico, la tau ricombinante fosforilata da GSK-3β (positiva a PHF-1) veniva importata nei mitocondri isolati e promuoveva il RET, mentre la tau-S404A, non fosforilabile, no. In vivo, le varianti della tau di moscerino che bloccavano la fosforilazione da parte di PAR-1/MARK o AT100 perdevano l'attività di promozione del RET e la maggior parte della tossicità. La tau fosforilata si legava direttamente alla subunità NDUFS3 del complesso I e ne modificava le interazioni, con una riduzione del legame NDUFS3/NDUFV1 e un aumento del legame NDUFS3/NDUFV2. Questi cambiamenti sono stati osservati nei topi con tauopatia e nei cervelli di pazienti con PSP e malattia di Alzheimer. Il CPT indeboliva l'interazione tra tau e NDUFS3, il che suggerisce una competizione per lo stesso sito.
L'inibizione del RET si è rivelata protettiva. Nei moscerini tau-R406W, 10 μM di CPT, o un knockdown parziale di NDUFS3, hanno migliorato locomozione, memoria e aspettativa di vita, preservato i neuroni dopaminergici e ridotto la tau fosforilata. Nei topi rTg4510 trattati per via orale a partire dai 4 mesi di età per 2–4 mesi, il CPT ha migliorato in modo dose-dipendente le prestazioni nel labirinto acquatico di Morris e nel condizionamento della paura e ha normalizzato l'iperattività e il comportamento di tipo ansioso in entrambi i sessi. Ha inoltre ridotto l'atrofia cerebrale alla risonanza magnetica, preservato i neuroni NeuN-positivi, ripristinato i marcatori sinaptici e ridotto l'attivazione di astrociti, microglia e linfociti T CD8. Sono stati riportati anche effetti nei neuroni umani sotto stress, anche se il testo fornito è troncato.
Nel complesso, i dati supportano un circolo vizioso che si autoalimenta: stress e invecchiamento promuovono la fosforilazione della tau, la tau fosforilata favorisce il RET e il RET induce ulteriore fosforilazione della tau. Tra i limiti: il forte ricorso a modelli basati su sovraespressione e a modelli transgenici, possibili artefatti da inserzione nei topi rTg4510, l'elevata variabilità tra i campioni dei pazienti e l'assenza di dati terapeutici nell'uomo. Il CPT è un composto sperimentale.
Risultati Principali
- Tau-P301L human iPSC neurons showed higher ROS and a lower NAD+/NADH ratio, with elevated RET but unchanged forward electron transport; RET inhibitors CPT-2008 and rotenone reversed the changes
- RET activation was found in rTg4510 and PS19 tauopathy mice, tau-R406W flies, and postmortem PSP and Alzheimer's brain tissue; 4R tau drove more RET than 3R tau
- Tau-knockout flies resisted heat stress and lived longer at 32°C, while tau-knockout mice were protected from memory and anxiety-like deficits after two weeks of daily 15-minute 43°C heat exposure
- GSK-3β-phosphorylated tau (PHF-1 positive) was imported into mitochondria and promoted RET dose-dependently, whereas non-phosphorylatable tau-S404A did not
- Phosphorylated tau directly bound complex I subunit NDUFS3, shifting NDUFS3/NDUFV1 and NDUFS3/NDUFV2 interactions in tauopathy mice and in PSP and Alzheimer's brains; CPT weakened the binding
- In tau-R406W flies, 10 μM CPT or NDUFS3 knockdown rescued locomotion, memory and lifespan, protected dopaminergic neurons and lowered p-S262 and PHF-1 tau
- In rTg4510 mice treated orally from 4 months for 2–4 months, CPT dose-dependently improved water maze and fear conditioning, reduced brain atrophy on MRI, preserved neurons and lowered glial activation and CD8 T-cell infiltration, with similar benefit in both sexes
Metodologia
Lo studio ha combinato neuroni derivati da iPSC umane (isogenici WT vs tau-P301L, indotti tramite NGN2), Drosophila (tau-WT, P301L, R406W, mutanti dei siti di fosforilazione, tau-KO), topi (rTg4510, PS19, tau-KO, WT) e tessuto cerebrale post mortem di pazienti con PSP e malattia di Alzheimer. Il RET (trasporto inverso degli elettroni) è stato misurato in mitocondri purificati usando succinato rispetto a malato/glutammato, con letture di ROS e NAD+/NADH e reporter geneticamente codificati (mito-roGFP-ORP1, SoNar). Il meccanismo è stato verificato con saggi di importazione di tau ricombinante e di protezione dalle proteasi, BN-PAGE, co-IP, proximity ligation e saggi di legame in vitro. L'efficacia è stata valutata con l'inibitore del RET CPT (10 μM nei moscerini; per via orale, a dosi multiple, nei topi) e con RNAi contro NDUFS3, considerando esiti comportamentali, di risonanza magnetica (MRI) e di immunocolorazione. Le dimensioni campionarie esatte e i test statistici utilizzati non erano disponibili nel testo fornito.
Limitazioni dello Studio
Gran parte delle evidenze proviene da modelli transgenici o di sovraespressione; gli autori osservano che la mutagenesi da inserzione del transgene potrebbe confondere i risultati ottenuti nel modello rTg4510. I campioni di cervello dei pazienti presentavano una variabilità molto ampia, probabilmente dovuta a differenze interindividuali, agli intervalli post mortem e alla manipolazione dei campioni. L'inibitore di RET CPT è sperimentale e non esistono dati sull'uomo; inoltre, nel testo fornito non vengono dichiarati eventuali conflitti di interesse, e il testo stesso risultava troncato.
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