Come APOE4 influisce sul cervello umano colpito dall’Alzheimer

L’Apolipoproteina E (APOE) è una piccolo trasportatore codificato dal gene APOE che regola l’omeostasi lipidica nei mammiferi.  La variante e4 del gene APOE (APOE4) è associata a un maggior rischio di sviluppare la malattia di Alzheimer (AD) nei mammiferi. Uno studio pubblicato su Nature, di cui è coautore Jose Davila-Velderrain, rivela gli effetti di APOE4 sul metabolismo e sul traffico del colesterolo in determinate cellule del cervello, sulla mielinizzazione dei neuroni e sull’apprendimento e la memoria.

La malattia di Alzheimer (AD) è una patologia neurodegenerativa che porta al progressivo deterioramento delle funzioni cerebrali e alla perdita di memoria. Fattori di rischio ambientali e genetici sono associati allo sviluppo dell’AD e APOE4 è il principale fattore di rischio genetico per l’AD. APOE4 induce la formazione di gocce lipidiche e l’accumulo di colesterolo negli astrociti, cellule specializzate che – tra le varie funzioni svolte – forniscono sostanze nutritive ai neuroni e sostengono la struttura del cervello. Tuttavia, non è ancora del tutto chiaro come la disregolazione del metabolismo dei lipidi e l’accumulo di colesterolo indotti da APOE4 influiscano su altri tipi di cellule cerebrali e, in ultima analisi, sulla memoria e sull’apprendimento nel cervello affetto da AD.

Jose Davila-Velderrain, Group Leader del Neurogenomics Research Centre di Human Technopole, e i colleghi del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Broad Institute dell’ MIT e di Harvard hanno fatto luce su queste questioni utilizzando una avanzata tecnica di sequenziamento dell’ RNA – detta snRNA-seq, dall’ inglese single-nucleus RNA-sequencing – in tessuti cerebrali post-mortem di 32 individui appartenenti al Religious Order Study e al Rush Memory and Aging Project (ROSMAP) i quali hanno deciso di donare il proprio cervello dopo la morte. I donatori sono portatori degli alleli APOE3/4 o APOE4/4, oppure della variante neutra APOE3/3 (gruppo di controllo) e monitorati per la patologia dell’AD. I ricercatori hanno riscontrato una disregolazione di quasi 500 pathway molecolari (ad esempio, danno al DNA, infiammazione, produzione di energia, metabolismo e stress cellulare) in sei diversi tipi di cellule del cervello che esprimevano APOE4. In particolare, l’analisi trascrittomica ha rivelato che la biosintesi del colesterolo era incrementata negli oligodendrociti, le cellule responsabili della deposizione di mielina intorno agli assoni delle cellule nervose nel sistema nervoso centrale. La mielina è una sostanza ricca di colesterolo che isola gli assoni dei neuroni e aumenta la velocità di propagazione degli impulsi elettrici. L’aumento dei livelli di colesterolo e la sua localizzazione all’interno delle cellule sono stati valutati anche mediante analisi lipidomiche con spettrometria di massa e di imaging su tessuti cerebrali post-mortem congelati. In linea con queste osservazioni, i ricercatori hanno notato una riduzione della mielinizzazione degli assoni dei neuroni negli individui con AD rispetto al gruppo di controllo. Risultati simili sono stati ottenuti in topi transgenici che esprimono APOE4 umano.

Per validare questi risultati a livello cellulare, Davila-Velderrain e colleghi hanno utilizzato una tecnica di editing genomico nota come CRISPR-Cas9 per convertire cellule staminali pluripotenti indotte (iPS) derivate da individui nel gruppo di controllo (APOE3/3) e da pazienti affetti da AD (APOE4/4) in APOE4/4iPS e APOE3/3iPS, rispettivamente. Queste cellule sono state poi differenziate in oligodendrociti e, proprio come nei tessuti cerebrali, gli oligodendrociti transgenici che esprimevano APOE4/4 hanno mostrato un maggiore accumulo intracellulare di goccioline lipidiche e colesterolo, a fronte di un ridotto traffico di colesterolo verso la membrana plasmatica. Inoltre, neuroni cresciuti con oligodendrociti APOE4/4 in colture in vitro 3D hanno mostrato una ridotta mielinizzazione degli assoni rispetto a quelli coltivati con oligodendrociti APOE3/3. È importante notare che i difetti di mielinizzazione osservati nella co-cultura 3D di oligodendrociti-neuroni APOE4/4 potevano essere attenuati stimolando il trasporto del colesterolo con la ciclodestrina, un farmaco attualmente utilizzato per il trattamento di rare malattie da accumulo lisosomiale. Inoltre, la ciclodestrina ha ridotto l’accumulo di colesterolo negli oligodendrociti, ha favorito la mielinizzazione degli assoni e ha migliorato la memoria e l’apprendimento nei topi transgenici APOE4/4.

In sintesi, Davila-Velderrain et al. collegano per la prima volta APOE4 al trasporto e alla localizzazione del colesterolo negli oligodendrociti, alla mielinizzazione dei neuroni e alle funzioni cognitive nell’uomo. Inoltre, i ricercatori forniscono un atlante degli effetti trascrizionali indotti da APOE4 nelle singole cellule del cervello umano, aprendo così la strada allo sviluppo di nuove strategie terapeutiche per l’AD.

Pubblicato su Nature.