Nuove scoperte sulla proteina Tau e le malattie cerebrali

TAU è una proteina che si trova nel cervello umano e svolge un ruolo importante nel mantenere la struttura delle cellule nervose sana. Però, in alcune malattie, chiamate Tauopatie, le proteine tau possono annodarsi e formare strutture anomale. Questo è particolarmente vero nella malattia di Alzheimer (AD), il tipo più comune di tauopatia. Nella AD, le proteine tau si raggruppano per creare Filamenti attorcigliati, che coesistono con altre proteine dannose, come le placche di amiloide-beta.

#Isoforme di Tau e le Loro Varianti

Nel cervello umano, ci sono sei forme diverse di tau, con dimensioni che vanno da 352 a 441 blocchi costitutivi, noti come aminoacidi. Queste forme derivano da un singolo gene, chiamato MAPT, attraverso un processo noto come splicing alternativo. La proteina tau può essere divisa in diverse sezioni:

• Un dominio di proiezione amino-terminale,
• Una regione ricca di prolina,
• Quattro regioni che si legano ai microtubuli (R1 a R4),
• Un dominio carboxi-terminale.

A seconda del numero di aminoacidi aggiuntivi inclusi all'inizio e della presenza di una specifica regione di legame ai microtubuli, le forme di tau vengono classificate come 0N, 1N o 2N per la parte amino-terminale e 3R o 4R per le ripetizioni di legame. Nelle malattie come l'AD, si può trovare un mix di queste forme di tau, ma in altre malattie potrebbero presentarsi solo forme specifiche di tau.

#Cryo-EM e Filamenti di Tau

Gli scienziati utilizzano tecniche di imaging avanzate, come la crio-microscopia elettronica (cryo-EM), per studiare come le proteine tau formano questi filamenti. Le ricerche hanno dimostrato che diverse malattie presentano filamenti di tau distinti. La struttura di questi filamenti è caratterizzata da sequenze specifiche all'interno della proteina tau, caratterizzate da segmenti ripetitivi. Inoltre, alcuni degli aminoacidi permettono alla tau di assumere forme definite, mentre altri rimangono sciolti e indefiniti attorno al nucleo del filamento.

Nell'AD e nella encefalopatia traumatica cronica (CTE), la struttura della tau coinvolge aree specifiche della proteina. È interessante notare che, nonostante le variazioni nella struttura di tau tra le malattie, la forma effettiva del filamento di tau rimane coerente tra diversi pazienti con la stessa malattia. Questa osservazione supporta una teoria secondo cui la tau anomala può diffondere la sua struttura ad altre proteine tau, portando alla formazione di filamenti simili nelle cellule cerebrali malate.

#Sfide nella Ricerca e Nuovi Sviluppi

Replicare queste strutture tau in ambienti di laboratorio è stato difficile. Le proteine tau normali richiedono determinate condizioni e molecole aggiuntive per formare filamenti simili a quelli trovati nei cervelli umani. I tentativi di riprodurre questi filamenti usando proteine tau normali o proteine modificate hanno frequentemente portato a strutture diverse, evidenziando la complessità di tau e del suo comportamento in una cellula.

In studi precedenti, i ricercatori hanno scoperto che un particolare pezzo di tau (tau297-391) poteva formare il classico filamento tau, noto come filamenti elicoidali accoppiati (PHFs), sotto specifiche condizioni di agitazione. L'introduzione di sale ha anche cambiato il modo in cui la tau si assemblava in filamenti, portando a forme tipiche di CTE. Tuttavia, i filamenti formati in questi esperimenti di laboratorio non imitavano il rivestimento fuzzy caratteristico dei filamenti tau trovati nei cervelli umani.

#Iperfosforilazione di Tau

Un fattore critico che influisce sulla capacità della tau di assemblarsi in filamenti è l'iperfosforilazione, dove gruppi fosfato extra si attaccano alla molecola di tau. Questa disconnessione dai microtubuli e queste modifiche possono giocare un ruolo su come tau forma aggregati. La ricerca ha identificato diversi siti chiave su tau che diventano iperfosforilati, con studi che utilizzano la spettrometria di massa per mappare questi cambiamenti.

Gli scienziati hanno lavorato per ricreare filamenti di tau che assomigliano strettamente a quelli nell'AD introducendo mutazioni che imitano l'iperfosforilazione nella tau. Questo approccio ha portato allo sviluppo di una nuova costrutto noto come PAD12, che presenta dodici mutazioni specifiche. Queste mutazioni sembrano promuovere l'assemblaggio della tau in filamenti simili a quelli trovati nell'AD.

#Assemblaggio di PAD12 Tau in Filamenti

Gli esperimenti con i costrutti tau PAD12 hanno mostrato risultati promettenti. I ricercatori sono stati in grado di produrre due tipi di tau PAD12, noti come 0N3R e 0N4R. Dopo aver espresso e purificato queste forme di tau, le hanno sottoposte a specifiche condizioni di assemblaggio. È interessante notare che la tau 0N3R PAD12 formava prevalentemente PHFs mentre la tau 0N4R creava una diversa struttura di filamento.

Quando le 0N3R e 0N4R sono state mescolate, i filamenti risultanti erano principalmente PHFs, identici a quelli trovati nei cervelli AD. Questa conferma dimostra che è possibile replicare la struttura di questi filamenti in vitro, aprendo la strada per ulteriori ricerche sulle malattie legate a tau.

#L'Importanza delle Condizioni di Agitazione

Durante la produzione di questi filamenti, i ricercatori hanno scoperto che le condizioni in cui sono stati mescolati e agitati influenzavano significativamente i tipi di filamenti formati. Anche piccoli cambiamenti, come variare la velocità di agitazione, influenzavano il risultato. Sebbene ricerche precedenti indicassero che costrutti tau più corti erano più sensibili ai cambiamenti ambientali, la tau PAD12 a lunghezza completa mostrava caratteristiche di assemblaggio più robuste che riuscivano a resistere a diverse condizioni.

Inoltre, mentre alcune forme di tau tendevano a raggrupparsi, i filamenti di tau PAD12 riuscivano a rimanere dispersi. Questa stabilità in soluzione significa che possono essere utilizzati in ulteriori esperimenti senza preoccuparsi che si aggregano, il che è utile per studiare le loro proprietà.

#Differenze nelle Strutture dei Filamenti

La ricerca ha anche mirato a identificare l'impatto di specifiche mutazioni sull'assemblaggio dei filamenti di tau. Creando varianti della tau PAD12 con mutazioni diverse, gli scienziati hanno notato che non tutte le forme producevano PHFs. Alcuni costrutti portavano a filamenti che non si attorcigliavano, indicando che l'organizzazione di specifici aminoacidi è cruciale.

La possibilità di etichettare i filamenti di tau con marcatori fluorescenti apre nuove strade per capire come tau si comporta nelle cellule. Utilizzando specifiche reazioni chimiche, i ricercatori sono riusciti ad aggiungere marcatori fluorescenti ai filamenti di tau pre-assemblati. Questo sviluppo potrebbe aiutare a visualizzare come tau si diffonde o interagisce con altri componenti cellulari all'interno di organismi viventi.

#Assemblaggio Seminal e Test Cellulari

Lo studio ha anche esaminato se i filamenti di tau provenienti da cervelli AD potessero seminare l'assemblaggio della tau PAD12. Quando i filamenti di tau derivati dal cervello sono stati introdotti in una soluzione di tau PAD12, sono stati osservati risultati notevoli. Il processo di assemblaggio seminale ha portato alla formazione di PHFs che assomigliavano strettamente a quelli provenienti da cervelli AD.

È interessante notare che ulteriori cicli di semina hanno avuto successo, con i filamenti che mantenevano la loro struttura. Questo suggerisce che la tau PAD12 potrebbe essere uno strumento prezioso per studiare la propagazione di tau nelle cellule.

#Cellule Biosensore ed Efficienza di Semina

Per valutare la capacità della tau PAD12 di promuovere la semina, i ricercatori hanno utilizzato un tipo speciale di linea cellulare progettata per esprimere tau. Quando queste cellule sono state esposte a semi dei filamenti di tau PAD12, è stata osservata un'efficace semina, particolarmente a basse concentrazioni. Questa efficienza differiva rispetto ad altre forme di tau, indicando che le modifiche apportate nel costrutto PAD12 hanno migliorato significativamente la sua capacità di interagire con l'ambiente cellulare.

Gli esperimenti con la tau PAD12 etichettata hanno anche confermato che i semi si co-localizzavano con la tau sovraespressa nelle cellule. La stabilità e le capacità di etichettatura della tau PAD12 faciliteranno il suo utilizzo in ulteriori studi sulle dinamiche di tau nei sistemi cellulari.

#Comprendere il Ruolo del Rivestimento Fuzzy di Tau

Un aspetto intrigante dei filamenti di tau è la presenza di un rivestimento fuzzy, che è una regione a struttura sciolta attorno al nucleo di tau. Sebbene gli scienziati abbiano identificato la sua esistenza, la funzione esatta di questo rivestimento fuzzy nel contesto delle tauopatie è ancora poco chiara. I ricercatori sospettano che questo rivestimento fuzzy possa influenzare come tau interagisce con altri componenti cellulari, inclusi potenziali recettori e complessi di degradazione.

#Analisi NMR di PAD12 Tau

Tecniche di analisi avanzate, come la risonanza magnetica nucleare (NMR), sono state utilizzate per esaminare come le modifiche nella tau PAD12 influenzino la sua struttura rispetto alla tau normale. I risultati hanno indicato che specifiche parti della tau PAD12 mostrano comportamenti diversi in termini di flessibilità e rigidità, il che può influenzare la sua capacità di formare filamenti stabili.

È interessante notare che gli effetti delle mutazioni erano più pronunciati nel costrutto tau a lunghezza completa rispetto alle versioni tranciate. Questi risultati evidenziano la complessità del comportamento di tau e l'importanza di specifiche modifiche per un corretto assemblaggio.

#Conclusione: Direzioni Future nella Ricerca su Tau

La ricerca sulla tau PAD12 rappresenta un significativo avanzamento nella comprensione dell'assemblaggio di tau nelle malattie neurodegenerative. La capacità di produrre filamenti di tau che imitano da vicino quelli trovati nei cervelli umani potrebbe aprire nuove strade per studiare le tauopatie.

Andando avanti, i ricercatori mirano a esplorare come diverse modifiche di tau influenzano l'assemblaggio in varie forme e il ruolo che queste forme giocano in diverse malattie. Scoprendo i meccanismi dietro il comportamento di tau, c'è speranza di sviluppare trattamenti mirati per malattie come la malattia di Alzheimer e altre tauopatie.

In sintesi, il lavoro sulla tau PAD12 illustra il potenziale per avanzare nella nostra comprensione di tau e del suo coinvolgimento nella neurodegenerazione. Ulteriori studi faranno sicuramente luce sulle complesse interazioni in gioco, portando infine a migliori opzioni terapeutiche per le persone colpite.