Cosa sono i prioni?

I prioni interessano l’uomo per varie malattie e sono stati per lungo tempo all’ordine del giorno quando si parlava di “mucca pazza”. Il termine prione è in analogia a virione, un termine che si utilizza per definire delle particelle virali, “prione” significa infatti “struttura proteica infettante” (PRoteinaceus Infective ONly Particle, cioè particella virale infettiva solamente proteica).

 

Il loro ruolo è tuttora una teoria, anche se è largamente condivisa (lo scopritore, Prusiner, ha vinto il Nobel per la medicina pochi anni fa), ma importanti gruppi di ricerca continuano a non ritenere queste strutture responsabili delle malattie ad essi attribuite. I prioni sarebbero responsabili di una serie di malattie chiamate encefalopatie spongiformi trasmissibili (o TSE), ovvero delle malattie degenerative del sistema nervoso centrale, dove l’encefalo si trasforma in una struttura spugnosa, fortemente vacuolizzata. Queste malattie vengono definite “trasmissibili” proprio perché possono essere trasmesse da un organismo malato ad uno sano, sia sperimentalmente che naturalmente (a differenza, invece, dell’Alzheimer, che è un’encefalopatia spongiforme non trasmissibile), si tratta comunque di malattie estremamente rare, soprattutto nel genere umano.

In proposito, la malattia umana su cui ci soffermiamo è quella di Creutzfeldt-Jakob. Per gli animali è storicamente molto importante lo Scrapie, tipico delle pecore e delle capre. Tale malattia è conosciuta da secoli – perlomeno dal Settecento – e deve questo nome al fatto che l’animale malato cominci ossessivamente a sfregare la testa ed il corpo contro qualsiasi superficie fino a provocarsi delle lesioni molto gravi (“scrape” in inglese significa appunto “sfregarsi”, “grattarsi”).

 

I prioni come vedremo sono caratterizzati dal fenomeno della barriera di specie, cioè sono in grado di dare una patologia solo ad una determinata specie, ma nel corso della storia si sono avuti degli importanti salti di specie, vale a dire dei superamenti di questa barriera, per cui proprio negli anni ottanta del ‘900 è comparsa questa malattia nei bovini (la BSE, o Encefalopatia Spongiforme Bovina, o “Mucca Pazza”) dovuta proprio al fatto che le carcasse delle pecore morte di “scrapie” venivano incenerite per produrre dei mangimi tossici che venivano dati da mangiare ai bovini, così nel corso del tempo questo continuo contatto col prione della pecora ha portato il prione stesso ad adattarsi ai bovini. Queste encefalopatie sono malattie a decorso cronico fatalmente progressivo, cioè da quando compaiono i sintomi la malattia non è più arrestabile e porta alla morte nel giro di pochi mesi dell’individuo per la degenerazione dell’encefalo. Queste malattie sono tutte caratterizzate dall’avere un lungo periodo di incubazione (quelle umane grosso modo di 10 anni). Anche se determinano delle caratteristiche istopatologiche differenti, in tutti i casi quello che si osserva è la comparsa nei neuroni di accumuli di una sostanza amorfa chiamata amiloide, oppure di fibrille che si accumulano nella cellula nervosa portandola alla morte, quindi si ha una degenerazione neuronale dovuta a questi fenomeni che portano alla morte di queste cellule. In ogni caso che lo scrapie fosse trasmissibile era già una cosa nota, per esempio si era osservato che se i greggi di pecore andavano a pascolare dove avevano pascolato delle pecore malate, anche in questo gregge sano compariva la malattia, oppure se una pecora malata allattava un agnello nato da un’altra pecora, anche questo sviluppava la malattia. Si riuscì poi a trasmetterla in laboratorio, inoculando gli animali sani con del materiale cerebrale proveniente dagli animali malati, quindi la cognizione che queste malattie potessero essere causate da un microrganismo, cioè che fossero malattie di natura infettiva, era già conosciuta da tempo, nonostante i tentativi di isolare il virus responsabile di queste patologie, che non sono mai stati portati a termine.

 

Questo microrganismo ha delle caratteristiche molto particolari, innanzitutto resiste a diversi fattori:

  • Calore, può resistere anche a 200-300 gradi centigradi, ovvero a temperature che normalmente vengono utilizzate per sterilizzare anche del materiale chirurgico e medico, per esempio della malattia di Creutzfeldt-Jakob ne esiste una forma detta iatrogena, cioè legata alle procedure mediche, per esempio con l’utilizzo di sonde stereotattiche per fare delle biopsie cerebrali. Queste sonde vengono utilizzate sterili, ma la procedura che si utilizza per sterilizzare il materiale chirurgico, ovvero l’autoclavaggio, non è in grado di rimuovere i prioni
  • Radiazioni, molto più dei virus, infatti a seconda della grandezza del genoma, un organismo è più o meno sensibile alle radiazioni. I virus, avendo un genoma molto ridotto, sono notevolmente più resistenti alle radiazioni rispetto alle cellule, ma l’agente causale delle TSE è ancora più resistente alle radiazioni rispetto ai virus, in quanto non sembra avere un genoma
  • DNAsi e RNAsi, apparentemente questo prione non avrebbe un acido nucleico, perché è resistente alla sua distruzione con le DNAsi e le RNAsi. La digestione del materiale infettante con questi enzimi non porta alla perdita d’infettività, quindi questo suggerirebbe la mancanza di un acido nucleico nei prioni
  • Enzimi proteolitici, soprattutto la tripsina. Questi prioni sono caratterizzati anche da un’elevata sensibilità agli agenti chimici che denaturano le proteine, come il fenolo, che inattivano dunque l’agente causale delle TSE.

 

Quindi questi due dati messi assieme (l’assenza di un acido nucleico e la sensibilità agli agenti chimici inattivanti le proteine) sembrerebbe suggerire che l’infettività è legata a delle componenti proteiche, in effetti il materiale patologico è caratterizzato da un accumulo di fibrille. Si è visto che purificando la proteina di queste fibrille e trasmettendola in diversi organismi viventi si riesce infatti ad ottenere la trasmissione di queste malattie. La capacità di dare questa malattia – quindi l’agente causale – sembrerebbe essere dunque la proteina che forma queste fibrille, così per identificare questa proteina è stato coniato il termine di prione, cioè di proteina infettante.

 

Questa proteina è stata isolata nelle pecore con lo scrapie e prende il nome di “prione dello scrapie”. Poco dopo l’identificazione di questa proteina si scoprì che in realtà il gene che codifica questa proteina è presente in tutte le cellule di tutti gli organismi viventi, o perlomeno degli animali superiori, quindi la proteina prionica è in realtà una normale proteina del corredo genetico delle cellule, essa è normalmente espressa nella cellula ed in particolari condizioni può diventare l’agente causale di una malattia così grave, che porta alla degenerazione dell’encefalo. Quello che Prusiner osservò fu che la proteina prionica patologica (cioè quella che causa lo scrapie, la BSE o le altre patologie di questo tipo) è una forma alterata della proteina prionica fisiologica. Questa alterazione non interessa tanto la sequenza amminoacidica, benché ci possano essere delle mutazioni, ma quello che effettivamente rende patogena la proteina prionica è la sua struttura conformazionale. Proprio partendo dai prioni, si è cominciato a parlare di “misfolding” delle proteine, intendendo come folding l’assunzione della conformazione spaziale quaternaria delle stesse proteine. Quindi per “misfolded” si intendono delle proteine che assumono una conformazione spaziale alterata e che in seguito a ciò diventano non funzionanti o, come nel caso dei prioni, addirittura patologiche. La proteina prionica normale è costituita per un 43% di struttura ad a-elica, invece nella proteina “misfolded” (la proteina prionica patogena) abbiamo una minore percentuale di struttura ad a-elica (un 30 %) ma soprattutto una quantità elevatissima di struttura a b-foglietto, oltre il 43 %, che rende la proteina insolubile (che quindi precipita nella cellula) e la rende insensibile al taglio proteolitico con la tripsina. Così, essa si accumula sempre più, portando poi alla degenerazione del tessuto neurale. Inizialmente si pensava che questa proteina prionica fosse in grado di autoreplicarsi e, non essendoci nessun acido nucleico associato, si era ipotizzato (senza ben spiegarlo) che essa potesse autoreplicarsi, quindi era in grado di generare grossi quantitativi della proteina prionica alterata. In realtà l’ipotesi più accreditata è che non si abbia nell’organismo una replicazione di questa proteina prionica patologica, infatti la proteina prima di assumere il suo “folding” definitivo viene sintetizzata “unfolded” (cioè senza la sua caratteristica struttura spaziale), poi per assumere la sua conformazione spaziale ci vuole una proteina chaperon che fa assumere alla proteina nascente la sua conformazione, quello che si ritiene è che per un qualche motivo nell’organismo o arrivi o si formi una proteina prionica alterata, e questa comincerebbe a funzionare come proteina chaperon per le proteine prioniche neosintetizzate. Le proteine prioniche neosintetizzate, anziché assumere la corretta conformazione spaziale, a modello della forma patologica alterata, assumerebbero la conformazione patologica, portando quindi ad un processo autocatalitico, così più proteine prioniche patologiche si formano e più queste funzionano da stampo per le nuove proteine, si attiva quindi un circuito che porta poi alla conversione di tutta la proteina neosintetizzata nella proteina prionica patologica, la quale si accumula e porta alla degenerazione neuronale. Non sono completamente note le funzioni della proteina “unfolded”, ma si sa che viene espressa molto di più nelle cellule nervose rispetto ad altri tipi cellulari. È presente anche nelle cellule del sistema immunitario, per cui i linfociti e tutti i macrofagi potrebbero essere delle cellule che portano la proteina prionica patologica introdotta con l’alimentazione dall’intestino al sistema nervoso centrale. E’ espressa sulla membrana della cellula, sembrerebbe avere una funzione di comunicazione con le altre cellule, poi una volta invecchiata, viene riportata dentro all’interno di caveole lipidiche, nelle quali poi si svilupperebbe la forma patologica. Le funzioni precise di queste proteine prioniche non si conoscono ancora, sappiamo però che hanno un’attività enzimatica. Quello che si vede è che i topi transgenici privi di entrambi gli alleli per questa proteina si sviluppano normalmente, quindi non sembrerebbe una proteina indispensabile per il corretto sviluppo dell’animale.