Nuove conoscenze su una malattia rara

Le cilia sono piccole braccia mobili sulla superficie di alcune cellule del corpo. Queste estensioni cellulari svolgono funzioni vitali e servono, tra l'altro, al movimento delle cellule o al trasporto di muco e liquidi. Se si guastano o non si muovono correttamente, le conseguenze possono essere gravi: infezioni respiratorie croniche, infertilità, posizione speculare degli organi o difetti cardiaci complessi.

Anche se questi sintomi appaiono molto diversi all'esterno, appartengono tutti alla discinesia ciliare primaria (PCD), un raro disturbo genetico del movimento delle ciglia. In questa patologia, che si verifica in circa un caso su 7500-10.000, la struttura e la struttura delle ciglia vengono alterate.
10.000 casi, la struttura e la funzione delle cilia sono disturbate. I difetti genetici sottostanti, spesso nel gene DNAH5, si manifestano con sintomi caratteristici ma molto variabili. I ricercatori del PSI sono ora riusciti a decifrarne le basi molecolari.

Un nuovo studio condotto dal team guidato dalla dottoranda e prima autrice Charlotte de Ceuninck e da Takashi Ishikawa del Laboratory for Multiscale Imaging in Biology presso il Centre for Life Sciences del PSI dimostra che non tutte le mutazioni del DNAH5 hanno lo stesso effetto: Non tutte le mutazioni del DNAH5 hanno lo stesso effetto. A seconda del punto esatto del gene in cui si trova il difetto, non cambia solo il movimento delle ciglia, ma anche la loro intera architettura interna. Questo rivela differenze molecolari che finora sono rimaste nascoste dai metodi diagnostici convenzionali. "A livello molecolare, questo lavoro rappresenta una svolta", spiegano de Ceuninck e Ishikawa. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Frontiers in Molecular Biosciences.

L'anatomia di una cilia

Le cilia hanno un'impalcatura altamente organizzata, il cosiddetto assonema. È costituita da nove microtubuli - strutture proteiche tubolari - disposti a coppie, che sono disposti ad anello intorno a due singoli tubuli centrali. Questa tipica struttura "9+2" costituisce la base meccanica del movimento delle cilia.

Lungo questa struttura di impalcatura si trovano i "motori" molecolari, i cosiddetti bracci di dineina, che convertono l'energia chimica in movimento ritmico. La proteina DNAH5 è un componente centrale del braccio esterno della dineina. Se manca, le cilia non si muovono: una caratteristica centrale della PCD.

Finora, i ricercatori ritenevano che tutte le mutazioni di DNAH5 portassero a una perdita uniforme del braccio esterno della dineina. Lo studio attuale, tuttavia, mostra un quadro molto più differenziato: il tipo di mutazione non solo influenza la mancanza del braccio di dineina, ma anche l'entità dell'interruzione dell'intera struttura ciliare.

Tre persone colpite - un unico quadro? Non proprio

Per il loro studio, i ricercatori hanno analizzato i campioni di cellule di tre persone affette da PCD che presentavano diverse mutazioni del DNAH5. I metodi diagnostici convenzionali - tra cui la videomicroscopia ad alta velocità, l'immunofluorescenza e la microscopia elettronica a trasmissione - hanno inizialmente rivelato un quadro uniforme: le cilia erano immobili e mancava il braccio esterno della dineina.

Tuttavia, i metodi moderni hanno rivelato un quadro più differenziato. I ricercatori hanno utilizzato la spettrometria di massa per determinare la composizione proteica delle cilia isolate. La tomografia crioelettronica ha inoltre permesso una ricostruzione tridimensionale ad alta risoluzione della loro struttura interna. Il risultato: la composizione interna delle cilia differiva in modo significativo, a seconda del tipo e della posizione della mutazione nel gene DNAH5.

Questa scoperta contraddice la precedente concezione secondo cui tutte le mutazioni in questo gene causano un effetto strutturale comparabile. È invece chiaro che la diagnosi di "PCD" comprende forme molecolari molto diverse della malattia.

Perdita strutturale oltre il previsto

Questo studio si è concentrato sui bracci esterni della dineina. Tuttavia, ci sono anche pazienti in cui sono colpiti i bracci interni della dineina (IDA), così come il complesso regolatore della nexina-dineina (N-DRC), un elemento di connessione centrale che coordina il movimento delle cilia.

Anche parti del sistema di trasporto intracellulare, il complesso IFT, responsabile della manutenzione delle cilia, possono essere ridotte in alcuni casi. Ciò che colpisce in modo particolare è che le mutazioni con un arresto precoce del gene, le cosiddette troncature, portano in genere a una perdita più estesa di proteine assonemali rispetto alle mutazioni con un arresto successivo.

Ciò porta alla seguente conclusione: La posizione della mutazione nel gene influenza quali strutture delle ciglia diventano non funzionali, anche se i sintomi clinici appaiono quasi identici nelle persone colpite. Ciò sottolinea l'importanza delle analisi molecolari per la diagnosi differenziata di malattie rare come la PCD.

Scoperte inaspettate: Nuovi elementi costitutivi delle ciglia

Oltre alle perdite proteiche previste, i ricercatori hanno identificato per la prima volta anche tre proteine che non erano note in precedenza come componenti delle cilia umane: CFAP97, VWA3B e DTHD1. Queste proteine sono state rilevate nelle cilia sane. Tuttavia, erano completamente assenti nei campioni di pazienti con la mutazione del DNAH5.

Il ruolo finora sconosciuto di queste proteine nella struttura delle cilia o nel controllo del movimento apre nuove prospettive, sia per la ricerca di base che per le applicazioni cliniche: ad esempio, per future procedure diagnostiche o per terapie che possano sostituire le proteine mancanti utilizzando, ad esempio, metodi a base di mRNA.

Conclusioni: un quadro più complesso della PCD

I risultati suggeriscono che la discinesia ciliare primaria non può essere intesa come un quadro clinico uniforme. "La diversità molecolare che abbiamo osservato potrebbe spiegare perché il decorso clinico e i sintomi variano così tanto", afferma Charlotte de Ceuninck.

L'identificazione di questi sottotipi - ad esempio attraverso analisi del proteoma ad alta risoluzione, cioè l'esame completo della composizione proteica nelle cellule - e la tomografia crioelettronica potrebbero aprire la strada alla diagnosi precoce in futuro. Questo, a sua volta, creerebbe le condizioni per un intervento terapeutico tempestivo per arrestare o rallentare la progressione del danno polmonare, della perdita dell'udito o dei disturbi della fertilità. "Se comprendiamo meglio le differenze molecolari, possiamo non solo riconoscere la malattia prima, ma anche trattarla in modo più specifico", aggiunge Takashi Ishikawa.