LA SINDROME DELL'X-FRAGILE

Il nome “X-Fragile” deriva dal fatto che la mutazione del DNA provoca una modificazione della struttura del cromosoma X che visto al microscopio presenta una “strozzatura” nella regione terminale del cromosoma X (q27.3), dove è situato il gene FMR1.

La sindrome X fragile (XFS) è la principale causa di ritardo mentale su base genetica insieme alla sindrome di Down.

È la prima forma di ritardo mentale ereditaria.

Maggiore prevalenza nelle femmine; una percentuale più alta di donne sono portatrici della sindrome e possono trasmetterlo ai loro figli.

Nella maggior parte dei casi XFS, l'alterazione responsabile della sindrome è l'espansione di una sequenza ripetuta di tre basi nucleotidiche (Citosina Guanina Guanina: tripletta CGG) a livello del gene FMR1.

Sequenza particolarmente instabile durante il passaggio da una generazione all’altra.

Nelle persone normali questa tripletta CGG è ripetuta un numero variabile di volte (da 6 a 55) e viene trasmessa stabilmente attraverso le generazioni.

Quando il numero di triplette CGG supera le 56 ripetizioni, la sequenza di DNA diventa instabile e nel passaggio alle generazioni successive si espande il numero di ripetizioni CGG.

Le persone che possiedono un numero di ripetizioni comprese tra 56 e 200 CGG vengono definite portatori sani della premutazione.

In questo intervallo l'espansione della tripletta permette al gene FMR1 di funzionare ancora; le persone sono affette dalla malattia quando il numero di copie della tripletta supera 200.
Questa espansione provoca un'ulteriore modificazione del DNA: la metilazione (sulle citosine promotore del gene) che a sua volta provoca il silenziamento del gene FMR1.
In quel punto del DNA si crea una costrizione e ciò causa la fragilità del gene.

Mutazione completa -> I maschi con la mutazione completa presentano ritardo mentale di grado variabile (da lieve a grave) e tratti fisici caratteristici, mentre solo la metà delle femmine con la mutazione completa presenta i sintomi della malattia.

La tendenza all'espansione della sequenza CGG si verifica solo quando la premutazione è trasmessa dalla madre -> una madre portatrice sana della sindrome (Xf-X) ha un rischio del 50% di avere dei figli maschi affetti (50% Xf-Y e 50% X-Y) e un rischio del 50% di avere femmine con la mutazione completa (perché aumenterà ancora di più il numero di copie), metà delle quali presenterà i sintomi della malattia (50% X-X e 50% Xf-X. se si esprime Xf).

Quando la premutazione è trasmessa dal padre rimane stabile.

Le figlie femmine riceveranno la premutazione senza variazioni del numero delle triplette.

I figli maschi invece ricevono il cromosoma Y perciò non sono a rischio di ereditare la premutazione.

I maschi con mutazione completa del gene FMR-1 presentano livelli più gravi di ritardo mentale.

Le femmine, avendo due copie del cromosoma X, di cui uno solo con la mutazione, nella maggior parte dei casi presentano ritardo mentale lieve o assente, eventualmente associati a difficoltà di apprendimento.

Ritardo cognitivo -> il primo segno della malattia è il ritardo nello sviluppo psicomotorio, in particolare nell'apprendimento del linguaggio. Il ritardo mentale è di grado variabile e spesso si associa ad anomalie comportamentali come irrequietezza, instabilità psicomotoria e incapacità a fissare l'attenzione.

Caratteristiche che persistono con l'avanzare dell'età.

Anomalie nel comportamento -> il comportamento può andare da un carattere estroverso e sociale a comportamenti simili all'autismo (iperattività, incapacità di fissare negli occhi gli altri, avversione all'essere toccati, comportamento stereotipato). Possono manifestarsi anche episodi convulsivi.

Caratteristiche fisiche: molte persone affette da XFS hanno tratti somatici tipici: viso stretto e allungato con fronte e mandibola prominenti, orecchie più grandi e più basse della media e, nei maschi, ingrossamento dei testicoli (macrorchidismo).
Possono presentare anche altri sintomi, come l'iperestensibilità delle articolazioni, il piede piatto e il prolasso della valvola mitrale.

Comportamenti tipici nei maschi: agitare spesso le mani, mordersi le dita, iperattività e fenomeni autistici.

Presente scarso contatto visivo ed evitamento tattile.

Il livello di sviluppo intellettivo nei maschi XFS è legato alla quantità di proteina FMRP prodotta dal gene FMR-1.

In maschi con oltre 200 mutazioni CGG ma con metilazione parziale hanno un QI più alto di tutti gli altri e mostrano prestazioni cognitive nella norma.

Nei maschi con mutazione completa si può assistere ad un declino con l’età (adolescenza) nel QI (memoria a breve termine verbale e visuospaziale).

In uno studio cognitivo attraverso un Test che prevedeva un compito di ricerca visiva è stato dimostrato che i ragazzi XFS mostrano un'inabilità maggiore di quelli con la sindrome di Down e dei bambini normali a cambiare attenzione tra stimoli e inibire comportamenti ripetitivi, ed entrambi i gruppi disabili hanno prestazioni peggiori (un'area coinvolta è la corteccia frontale).

Nei soggetti XFS sono presenti ritardi nello sviluppo del linguaggio, ritardo che permane a volte fino all'età adulta ed anzi, tende ad aggravarsi.

Eloquio disordinato, ripetizioni, digressioni, frasi incomplete.

Nelle femmine sono compromesse le abilità spaziali (deficit frontali).

Sono presenti atrofie cerebellari (con conseguente atassia), sia nei maschi che nelle femmine, e maggiori dimensioni del nucleo caudato.

Coinvolti nella formazione di comportamenti abitudinari motori (stereotipie).

Studi di Eliez (2001) dimostrano tramite una risonanza magnetica strutturale che c'è una normale decrescita relativa all'età nella materia grigia (cambia a seconda del genere), e una crescita nella materia bianca.

Il volume del nucleo caudato, inoltre, decresce con l'età. Non è stata rilevata correlazione tra materia grigia e prestazioni cognitive.

Studio di Gothlef (2007) -> valutazione del quoziente intellettivo con test d'intelligenza standard e della morfologia del cervello tramite risonanza magnetica.

Risultati: aumento della dimensione del nucleo caudato e riduzione delle dimensioni del verme cerebellare posteriore, amigdala e giro temporale superiore.
Profilo anomalo di volumi dei lobi corticali.

Maggiore volume del nucleo caudato e minore volume del verme cerebellare posteriore sono stati associati a più bassi livelli di ritardo mentale e deficit cognitivi e comportamenti aberranti.

Uno sviluppo anormale di specifiche regioni cerebrali caratterizza un fenotipo neuroanatomico associato alla sindrome di X fragile e può mediare gli effetti delle mutazioni del gene FMR1 sulle caratteristiche cognitive e comportamentali della malattia.
 
La proteina FMRP è localizzata nei neuroni ippocampali nel cono di crescita degli assoni e nei dendriti.contribuisce quindi alla crescita assonale .XFS è associato infatti con l'elevata densità e lunghezza delle spine dendritiche, che sono però immature morfologicamente nella neocorteccia.

I filopodi immaturi sono quelli presenti durante il periodo della sinaptogenesi, che poi successivamente si stabilizzano nell'adulto.

Negli adulti XFS sembra che ci sia ancora una sinaptogenesi in corso.

È fallito quindi il processo di maturazione dei contatti sinaptici e il processo di eliminazione delle sinapsi in eccesso (fase finale della sinaptogenesi).

Adulti XFS hanno quindi disturbi della plasticità sinaptica (lungo tutto il corso dell'intera vita).

Durante lo sviluppo, l'analisi morfometrica dei coni di crescita del topo con KO del gene FMR1 (il gene viene cancellato con degli enzimi e quindi non viene più trascritto) rivela un eccesso di filopodi con ridotta motilità (= capacità di modificare in modo reversibile la propria posizione).

Successivamente durante la formazione delle sinapsi i neuroni presentano un eccesso di filopodi (allungamenti che però non arrivano alla sinapsi funzionale, infatti si ritirano) e lunghe spine, ma già si assiste ad una diminuzione della densità delle spine giustapposte ai terminali presinaptici.
Non si osservano più ulteriori cambiamenti morfologici nei dendriti dei neuroni FMR1 KO, i quali hanno già incrementato la densità dei filopodi/spine.

Queste scoperte suggeriscono che le alterazioni nella regolazione della crescita assonale e nella sinaptogenesi in neuroni FMR1 KO possono contribuire alla patologia dendritica nella sindrome X Fragile.

Modelli animali

Topi privi della proteina FMRP (topi FMR1 KO) mostrano un fenotipo simile all'uomo nella neocorteccia e nell'ippocampo, suggerendo che FMRP è importante per la maturazione (e anche l'eliminazione) delle spine dendritiche in tutto il cervello.

C'è validità di facciata e di costrutto, perché il risultato del KO è lo stesso come nell'uomo.

La proteina FMRP è prodotta dall'adulto durante fenomeni di plasticità.

I problemi cognitivi e comportamentali associati con la sindrome X-fragile sembrano essere irreversibili, perché essi sono causati da un difetto genetica che deraglia lo sviluppo del sistema nervoso.

Sorprendentemente alcune ricerche affermano che molti di questi problemi possono essere risolvibili con l'utilizzo di droghe.

La maturazione cerebrale nello sviluppo normale di un soggetto XFS è molto minore di quella di un soggetto normale.

Ottimisticamente si cerca con il trattamento di recuperare il deficit, ma realmente si potrebbe sperare di evitare ulteriori peggioramenti, rimanendo però il deficit fino ad allora accumulato.

Lo sviluppo del cervello umano in assenza della proteina FMRP incrementa i sintomi maggiori della sindrome.

Questi includono ritardo mentale (da lieve a grave), ritardo dello sviluppo, deficit di attenzione e iperattività, ansietà, comportamenti autistici e ossessivi-compulsivi.

Inoltre soggetti XFS hanno una ridotta coordinazione motoria, e un'incidenza maggiore di epilessia.

Studi autoptici indicano che le spine dendritiche sono più lunghe e con aspetto immaturo.

Le spine sono un sito privilegiato (ma non esclusivo) di contatto sinaptico eccitatorio (in alcuni casi ospitano anche sinapsi inibitorie) dove si verifica la trasmissione sinaptica e diverse importanti forme di plasticità sinaptica.

Un passo successivo per capire la sindrome è isolare il gene FMR1 e la successiva generazione di topi con Knockout del gene FMR1.generalmente il fenotipo del topo FMR1 KO è coerente con quello umano, e anche la morfologia anomala delle spine (manca il consolidamento sinaptico).

Quindi c'è motivo di sospettare che molti aspetti della sindrome possano essere attribuiti ad uno sviluppo sinaptico alterato e ad una plasticità alterata.
 
Uno studio sulla plasticità sinaptica nell'ippocampo in topi FMR1 KO ha suggerito una nuova correlazione tra il fenotipo X-fragile e il recettore metabotropico per il glutammato (mGluR).

Questo è un possibile punto di partenza per un approccio terapeutico per la malattia.

La plasticità è importante per il rimodellamento dell'esperienza evolutiva a carico di connessioni e per l'adulto.

L'attività sinaptica del cervello può innescare cambiamenti duraturi nella forza sinaptica, come potenziamento a lungo termine (LTP) e depressione a lungo termine (LTD).

Nei neonati, i meccanismi di LTP sembrano essere importanti per trattenere sinapsi nascenti, mentre i meccanismi di LTD sembrano essere importanti per l'attività guidata dell'eliminazione delle sinapsi.

Questi stessi meccanismi contribuiscono alla conservazione dell'apprendimento e della memoria per tutta la vita post-natale.

Per molti anni si è creduto che LTD potesse essere esclusiva del cervelletto, dove si è specializzata per l'apprendimento del movimento, la coordinazione e l'equilibrio.

Oggi è stato istituito un metodo per indurre LTD nell'ippocampo utilizzando una simulazione sinaptica a bassa frequenza.

Se si misura la corrente sinaptica sembra che per LTP non serva un messaggero retrogrado che garantisca una rapidità di rilascio di neurotrasmettitore dal terminale presinaptico (che attivi cioè la sinapsi).

C'è solamente un numero maggiore di recettori sinaptici nella membrana: un maggior numero di neurotrasmettitori corrisponde ad una maggiore efficacia sinaptica.

Per quanto riguarda LTD vale il ragionamento inverso.

Il neurotrasmettitore evoca correnti sinaptiche in due recettori per il glutammato, AMPA e NMDA, ma solo il recettore AMPA viene potenziato e il glutammato si può legare, mentre non si lega a recettori NMDA.

Nella membrana post sinaptica si inserisce un numero maggiore di recettori sinaptici e questo determina un potenziamento (l'inverso accade per l'LTD).

Riarrangiamenti del citoscheletro dell'actina (proteina) hanno mostrato di indurre cambiamenti nella morfologia delle spine e il potenziamento a lungo termine (LTP) è accompagnato da un aumento di actina filamentosa in spine.

Inserendo più recettori si formano più spine dendritiche.l'elettrofisiologia e la parte strutturale sono collegate.

L'aumento della forza sinaptica durante LTP richiede l'inserimento dei recettori AMPA (AMPARs) per il glutammato di tipi GluR1 (subunità 1) e recentemente si è scoperto che l'inserimento della coda citoplasmatica del recettore GluR1 nelle sinapsi non guida allargamento spina di per sé, ma è necessario e sufficiente a permettere un aumento stabile della dimensione delle spine durante lo stimolo di LTP.

Affinché le dimensioni delle spine e la forza delle sinapsi siano sempre correlate devono essere stabili devono essere stabili contro il disturbo casuale indotto da fluttuazioni di molecole coinvolte.

Quindi una subunità di un unico recettore è in grado di fornire un collegamento tra due importanti processi subcellulari attivati dallo stimolo di LTP.

Anche per LTD si ipotizza un ruolo per il traffico di recettori AMPA, accoppiato ad un cambiamento morfologico a livello delle spine dendritiche.

Ci sono forme di LTD dipendenti dall'attivazione di recettori AMPA e di recettori metabotropici per il glutamato.

L'induzione di cerebellare LTD richiede l'attivazione di mGluR1 (si trova nel gruppo 1 del recettore metabotropico per il glutammato, insieme a mGluR5).

Anche se l'LTD nell'ippocampo è innescato dall'attivazione dei recettori postsinaptici NMDA, ci sono prove di un secondo tipo di LTD che, come nel cervelletto, richiede l'attivazione di GP1 mGluRs postsinaptici.

L'LTD innescato dall'attivazione di mGluR (mGluR-LTD) richiede la traduzione rapida del preesistente mRNA nei dendriti postsinaptici (sintesi proteica), invece sebbene recettore NMDA coinvolti nell'LTD, come la LTP, richiede anche la sintesi proteica per persistere più a lungo di un paio d'ore, la prima espressione è indipendente dalla sintesi di proteine.
Inoltre il recettore mGluR coinvolto nell'LTD non è reversibile, al contrario dei recettori NMDA.

Una perdita irreversibile dei recettori del glutammato durante mGluR-LTD potrebbe essere il preludio dell'eliminazione di sinapsi.

Sebbene la depressione della trasmissione sinaptica e la perdita di recettori del glutammato si verifica immediatamente dopo l'attivazione di mGluR5 senza nuova sintesi proteica, questi cambiamenti si ripristinano rapidamente (entro 30 min) se la traduzione postsinaptica dell'mRNA è inibita.
Comunque la nuova sintesi proteica è richiesta solo per un periodo critico (<60 minuti) immediatamente successivo all'attivazione di mGluRs.

La perdita di recettori AMPA è parzialmente responsabile dell'LTD e questo cambiamento è causato dal processo che richiede la traduzione di mRNA vicino alla sinapsi.LTD fallisce nei topi con mGluR5 KO.

Ci sono molte ragioni per cui c'è l'interesse di investigare il ruolo della proteina FMRP nell' mGluR-LTD dipendente dalla sintesi proteica.

Nei dendriti la proteina FMRP si lega all'mRNA. Quindi è stato studiato (Bear) che l'attivazione del Gruppo 1 dei recettori mGluRs stimola la sintesi della proteina FMRP.

Studi hanno mostrato che mGluR-LTD aumentava significativamente nei topi con FMR1 KO.

L'attivazione di mGluR normalmente stimola la sintesi della proteina FMRP (e altre) che si lega all'mRNA (nei casi in cui la proteina FMRP c'è ma non riesce a legarsi all'mRNA si riscontrano gli stessi danni).

La funzione di FMRP è quella di fermare l'LTD (per avere trasmissione sinaptica): aumenta il riciclo di recettori AMPA (recettori canali ai quali si lega il glutammato depolarizza -> quindi il glutammato si lega di più c'è LTP) e blocca la sintesi proteica che l'ha prodotta (è a feedback negativo).

Il recettore metabotropico per il glutammato (mGluR5) riduce rapidamente la trasmissione sinaptica.
Allora la funzione principale dell'FMR1 è quella di legarsi all'mRNA per ridurre la rimozione dei contatti sinaptici, ovvero per ridurre la depressione sinaptica innescata dal recettore metabotropico per il glutammato.

In mancanza della proteina c'è una continua riduzione dell'efficacia sinaptica (LTD) e questo fa sì che la sinapsi non si consolidi.

In accordo con queste affermazioni, le spine allungate nella sindrome di X-fragile hanno sinapsi indebolite che si eliminano e filopodi che cercano di sostituire le sinapsi perdute (sinaptogenesi continua).

La mutazione del gene causa quindi ritardi mentali.

Altre funzioni dei recettori metabotropici del glutammato Gp1 (Gp1 mGluRs): formazione della memoria della paura e LTP nell'amigdala (che in assenza del blocco LTD con la proteina, questi recettori causano ansietà, comportamenti autistici), LTP nelle sinapsi cortico-striatali coinvolte nella formazione delle abitudini (che in assenza del blocco LTD con la proteina, questi recettori causano comportamenti ossessivi-compulsivi), incrementa gli effetti epilettici, l'ipersensibilità agli stimoli sensoriali.

Mettendo insieme questi pezzi, si può notare come questo recettore contribuisca a molti dei sintomi della sindrome, non solo aumenta l'LTD!

Molti aspetti della sindrome sono una conseguenza di risposte esagerate dell'attivazione di mGluR1/5 (Gp1).

La conseguenza più importante di questa teoria è che gli aspetti del fenotipo della sindrome di X-fragile possono essere recuperati riducendo Gp1 mGluRs .potremmo ridurlo con farmaci o con un trattamento genetico.per esempio ridurre il numero dei recettori inserendo un transgene.

In uno studio, infatti, Bear utilizza una strategia genetica per risolvere questa questione.

Incrocio di topi con FMR1 KO e con il gene GRM5 mutante.
Nascono 49 topi con FMR1 KO con una selettiva riduzione dell'espressione di mGluR5 e si concentrano sui topi con la riduzione del 50% del recettore (un allele solo).

Questa riduzione dell'espressione della proteina (modulata dal gene GRM5) riduce l'LTD in topi FMR1 KO.

È stato visto che anche la lunghezza e lo spessore delle spine dalla regolazione antagonista di FMRP e mGluR5.

Mi aspetto che si riducano i comportamenti ansiosi, autistici, che si recuperi la trasmissione sinaptica, che non ci siano più stereotipie (agendo sui nuclei della base), che si riducano gli attacchi epilettici, che migliori la sinaptogenesi e diminuisca l'ipersensibilità.

Topi con FMRP KO, in mancanza dei recettori sin dalla nascita non manifestano alcun tipo di sintomi.

Inoltre, la presenza di un antagonista del recettore potrebbe impedire il verificarsi di alcuni sintomi.

Nello studio di Restivo vengono analizzati topi FMR1 KO e topi WT (normali) inseriti in un ambiente arricchito e vengono analizzati alcuni dei loro comportamenti sociali.

I risultati mostrano che l'arricchimento può invertire diverse anomalie strutturali e comportamentali derivate dal silenziamento del gene FMR1, ciò dimostra che alcuni meccanismi di plasticità neuronale sono conservati.anche in topi FMR1 KO.

In conclusione questi risultati ci confermano la relazione antagonista tra la proteina FMRP e il recettore mGluR5, che può essere ridotto.

Ma nell'uomo con già i sintomi? I trattamenti farmacologici sia per animali che per l'uomo sono in fase di verifica.