Principi generali di Patologia molecolare

Lo studio delle malattie è iniziato con Morgagni come Patologia d’organo. Questa permetteva di correlare il quadro clinico (insieme di sintomi) con le alterazioni patologiche dell’organo. Successivamente, con l’uso del microscopio ottico, grazie a Wirchow, questo studio evolveva in Patologia cellulare, che descriveva le malattie in termini di alterazioni di cellule o insieme di cellule (tessuti), fornendo una base cellulare e tessutale ai sintomi di quella malattia. Con l’introduzione del microscopio elettronico e della biochimica delle frazioni subcellulari, le funzioni alterate potevano essere localizzate a livello di organuli o di altre strutture sopramolecolari (Patologia subcellulare). Infine, con le conoscenze accumulate sulla struttura e funzione del DNA e delle proteine è stata costruita la Patologia molecolare. Essa permette di descrivere la base genica delle malattie (monogeniche o poligeniche) e i risultati della sua interazione con gli agenti esterni.

Oggetto di studio della Patologia Molecolare sono le alterazioni delle molecole biologiche che danno luogo ad un insieme di sintomi (Malattia molecolare). Le molecole coinvolte sono gliacidi nucleici (DNA ed RNA), le proteine, i lipidi e gli zuccheri.

–       Patologia molecolare degli acidi nucleici

Gli acidi nucleici sono i depositari delle informazioni genetiche e della loro ordinata espressione per la costruzione, la funzione e il mantenimento di tessuti e organi. Pertanto, la loro alterazione si traduce in sintomi di malattia , sia che avvenga nelle cellule germinali (malattie genetiche), sia che avvenga nelle cellule somatiche (es. tumori). Si distinguono alterazioni del DNA e del RNA.

Il DNA può andare incontro a diversi tipi di alterazioni, il cui principale effetto è quello di fornire informazioni errate alla cellula. Si assiste così all’espressione di proteine alterate in quantità (assenti, diminuite o eccessive, premature) o in qualità (proteine mutate), responsabili di gravi effetti metabolici e/o strutturali che sono all’origine di malattie (es. malattie genetiche, tumori, ecc..). L’alterazione delle informazioni si verifica in una delle seguenti condizioni:

a)    Rottura del DNA con errata riparazione, per azione di agenti esogeni o endogeni. Le conseguenze di una rottura non riparata opportunamente sono note come delezioni,inversioni, traslocazioni semplici o reciproche, di varia gravità fino alla morte cellulare.

b)    Piccole modificazioni della sequenza di basi (es. mutazioni puntiformi, ossia sostituzione di una base azotata con un’altra) più frequentemente da errori nella replicazione, ma anche da agenti esogeni (radiazioni UV, radiazioni ionizzanti, radicali liberi, agenti chimici vari).

c)    Introduzione di nuove sequenze (es. mutagenesi inserzionale e amplificazione) da parte di virus (introducono il loro genoma in quello della cellula ospite), per errori durante la replicazione del DNA e per azione di trascriptasi inversa.

d)    Alterazioni di alcuni meccanismi che regolano la disponibilità del DNA alla trascrizione, cioè per la sintesi dell’ RNA.

Ognuna di queste condizioni ha differenti effetti a seconda del tipo di gene interessato, geni di regolazione o codificanti le proteine. Si pensa che la maggior parte di esse siano clinicamente inapparenti; altre sono così gravi da essere incompatibili con la vita della cellula; altre, infine, si mostrano come malattie genetiche monogeniche o poligeniche o contribuiscono a manifestazioni patologiche molto complesse come il cancro e le malattie autoimmuni.

L’RNA è il prodotto di trascrizione del DNA. Ognuna delle fasi della sintesi dell’RNA può presentare alterazioni. Di seguito si accenna ad alcune di queste fasi.

a)    Assenza dell’RNA trascritto da un gene per cause varie: (1) il gene da trascrivere risulta assente (delezione), per cui è assente il relativo prodotto. (2) Il gene è presente, ma la trascrizione non avviene perché una mutazione puntiforme o altre piccole mutazioni hanno introdotto all’inizio dell’esone (punto in cui inizia la lettura del DNA) un segnale di terminazione, normalmente usato alla fine di un gene. Questo segnale ferma l’attività dell’RNA-polimerasi, dando luogo ad un trascritto (RNA) parziale o troncato. (3) L’RNA trascritto, pur sintetizzato correttamente, viene degradato rapidamente perché instabile.

b)    RNA abnormi o mutati derivanti dalla delezione parziale di un gene codificante RNA o dall’introduzione di un segnale di terminazione in posizioni non iniziali del gene che possono dare luogo a trascritti troncati.

c)    RNA ed errori puntiformi di trascrizione causati da una trascrizione non del tutto fedele. Questi errori possono essere introdotti dall’RNA-polimerasi durante la trascrizione, oppure da agenti esogeni o endogeni.

d)    RNA-messaggero (m-RNA) da geni codificanti proteine: l’RNA trascritto dalla RNA-polimerasi II riguarda geni che codificano proteine (sintesi proteica), per cui andrà incontro ad ulteriori processi prima della formazione di un polipeptide (proteina) attivo.

e)    Patologia dello splicing e dello splicing alternativo: la mancata eliminazione degli introni (sequenze non codificanti proteine) dalla molecola di RNA non permette la maturazione dell’m-RNA per essere tradotto in proteina.

–       Patologia molecolare delle proteine

La maggior parte delle funzioni cellulari sono compiute dalle proteine, le quali sono codificate dai geni. Obiettivo primario dello studio della biologia e della patologia delle molecole proteiche è quello di correlare ciascuna proteina con le specifiche funzioni in cui è coinvolta, di identificare gli specifici domini funzionali, di identificare i meccanismi con cui le alterazioni di queste molecole o di questi domini possono dare origine a funzioni perturbate e di studiare le vie patogenetiche attraverso cui queste funzioni alterate possono dare luogo a sintomi o insieme di sintomi (malattie).

Per ottenere una proteina biologicamente attiva sono necessari numerosi eventi, oltre alla trascrizione e alla traduzione. Le alterazioni di ognuno di essi possono dar luogo a proteine alterate, le quali, a loro volta, possono essere causa di sintomi di malattie. Le principali alterazioni riguardanti queste tappe della sintesi di una proteina matura e attiva comprendono:

a)    Alterazioni dello specifico complesso genico (delezione, mutazione e altre alterazioni degli esoni e degli introni, mutazioni delle sequenze regolatrici).

b)    Alterzione della trascrizione del gene codificante la proteina (errori di trascrizione, mancata o alterata trascrizione per alterazioni dell’RNA-polimerasi).

c)    Alterazioni della maturazione dell’m-RNA (alterazioni del processo di splicing) e del suo trasporto nel citoplasma.

d)    Alterazioni della traduzione e della genesi del polipeptide primario.

e)    Alterazioni degli eventi post-traduzionali: ripiegamento e struttura terziaria, assemblaggio di eventuali sub unità (struttura quaternaria), glicosilazione, idrossilazione , assemblaggio con altre proteine, ecc..

Le alterazioni della molecola proteica si manifestano clinicamente soprattutto con tre tipi di effetti a cui possono essere ricondotti direttamente o indirettamente la maggior parte dei sintomi della malattia:

  1. Effetti legati alle specifiche funzioni della proteina – Le alterazioni funzionali possono consistere in un guadagno o in una perdita delle normali specifiche funzioni di quella proteina. Esempi classici sono alcune mutazioni recettoriali che possono portare a quadri clinici opposti: mutazioni attivanti danno sintomi da iperfunzione per quel recettore  o suo ligando (es. ipertiroidismo da recettore per il TSH mutato, costituzionalmente attivo); oppuremutazioni inattivanti danno sintomi da ipofunzione per quel recettore o il suo ligando (es. ipotiroidismo da recettore per il TSH mutato, costituzionalmente inattivo)
  2. Effetti legati all’accumulo improprio della proteina alterata – Gli accumuli intracellulari impropri possono essere causa di gravi sovvertimenti dell’architettura cellulare  in uno o più compartimenti e alterarne profondamente le funzioni fino a innescare la sequenza che porta alla morte cellulare. Un esempio è fornito dalla cirrosi epatica con l’accumulo di proteine abnormi negli epatociti. Il fegato produce una grande quantità di proteine (pre-albumina, albumina, fattori della coagulazione, proteine di fase acuta, antitripsina, plasmina, ecc..) che vengono secrete nel sangue. Alcune di queste proteine possono andare incontro a mutazioni che ne alterano il processo di secrezione. Il progressivo accumulo porta a gravi alterazioni dell’architettura e della funzione dell’epatocita, fino alla morte. Se questa raggiunge valori che superano le capacità rigenerative degli epatociti, la riparazione farà aumentare progressivamente la componente connettivale (riparazione cicatriziale) che porterà alla cirrosi e a una ingravescente insufficienza epatica.
  3. Sintomi legati alla tossicità della proteina alterata – Alcune mutazioni possono produrre alterazioni qualitative delle funzioni della proteina e i sintomi sono legati a queste proprietà che risultano tossiche per la loro nuova capacità. Un esempio è rappresentato dalle mutazioni della proteina p53, in condizioni di eterozigosi, che conferiscono alla proteina mutata la capacità di legarsi con alta affinità alla proteina normale, che così viene inattivata. L’inattivazione favorisce la cancerogenesi.

Fonti di riferimento: PATOLOGIA GENERALE – Autori: Pontieri – Russo – Frati