Il complesso della proteina chinasi DNA-PK: modulazione mediata dal peptide beta amiloide e coinvolgimento nella plasticità sinaptica

DNA damage has been documented in different pathological conditions, including neurodegenerative diseases. DNA-dependent protein-kinase catalytic subunit (DNA-PKcs), a member of the family of phosphatidylinositol 3-kinase-like kinases, is one of the key enzymes involved in repairing DNA double-strand breaks (DSBs), the most lethal form of DNA damage. Biochemical analysis on cerebral cortex of individuals affected by Alzheimer’s disease (AD) has showed that DNA-PKcs protein levels are significantly decreased as well as DNA repair activity. The molecular mechanisms responsible for this reduction have yet to be identified. Here we found that sublethal concentrations of exogenous Amyloid-beta(Abeta) peptide, the most important player in the pathogenesis of AD, abrogate DNA-PK activity in PC12 cells through different mechanisms. These data indicate a direct causal relationship between Abeta accumulation and the impairment of DNA-PKcs-mediated DNA repair. DNA-PKcs is mainly found in the nucleus. However, a recent study has showed that a fraction of DNA-PKcs is present in lipid rafts suggesting that DNA-PKcs may play alternative roles besides its main function in DSBs repair. Indeed, we found that DNA-PKcs is localized in synaptosomal fraction where is associated with NR1 and NR2A NMDA receptor subunits and with post synaptic density-95 protein (PSD95). Moreover, we observed that DNA-PKcs maintains its kinase activity in synaptosomal membranes. In addition, we examined the effect of DNA-PKcs inactivation on the expression of paired pulse facilitation (PPF) and on the early phase of long-term potentiation (LTP) at Schaffer collateral/commissural fiber–CA1 hippocampal synapses. Tetanic stimulation (100Hz, 1s) induced LTP with values that were significantly lower in slices from DNA-PKcs-deficient mice (SCID mice) as compared with control animals, whereas PPF was not different in the two group of animals. These findings strongly indicated that DNA-PKcs may be involved in synaptic plasticity.

Il danno al DNA è stato descritto in diverse condizioni patologiche, incluse le malattie neurodegenerative. La subunità catalitica del complesso della DNA-PK (DNA-PKcs) è una proteina appartenente alla famiglia delle chinasi correlate alla fosfatidilinositolo-3-chinasi ed è un enzima chiave nella riparazione del danno a doppio filamento del DNA, la forma di lesione più pericolosa per l’integrità del genoma. Analisi biochimiche effettuate sulla corteccia cerebrale di individui affetti da malattia di Alzheimer (Alzheimer’s disease, AD) hanno mostrato che i livelli della proteina DNA-PKcs e la capacità di riparazione del DNA sono significativamente ridotti rispetto ai controlli. Il meccanismo molecolare responsabile di questa riduzione non è stato ancora identificato. In questo studio abbiamo dimostrato che concentrazioni subletali del peptide beta-Amiloide(Abeta) il principale fattore responsabile della patogenesi dell’AD, sono in grado di abrogare l’attività chinasica della DNA-PKcs in una linea di cellule PC12, attraverso differenti meccanismi. Questi risultati mostrano l’esistenza di una relazione causale tra l’accumulo del peptide Abeta e la compromissione della riparazione del DNA mediata dalla DNA-PKcs. Anche se la DNA-PKcs è principalmente localiazzata nel nucleo, più recentemente è stato mostrato che essa è anche presente all’interno dei “lipid rafts”, suggerendo che questa proteina possa avere un ruolo alternativo a quello della riparazione delle rotture a doppio filamento del DNA. Come prova a sostegno di questa ipotesi, noi abbiamo trovato che la DNA-PKcs è presente all’interno delle membrane sinaptiche associata alle subunità NR1 ed NR2A dei recettori NMDA e alla proteina delle densità postsinaptiche PSD95. Inoltre abbiamo osservato che la DNA-PKcs presente nelle mebrane sinaptiche mantiene la sua attività chinasica. Abbiamo infine esaminato l’effetto dell’inattivazione della DNA-PKcs sull’espressione della facilitazione sinaptica (paired pulse facilitation, PPF) e del potenziamento a lungo termine (long term potentiation, LTP) nella regione CA1 dell’ippocampo. La stimolazione tetanica (100Hz) in tali fibre ha indotto un LTP che è risultato essere ridotto in modo significativo in fettine derivanti da topi deficitari per la DNA-PKcs (topi SCID) rispetto a topi di controllo, mentre la PPF non ha mostrato differenze significative nei due gruppi di animali. Questi risultati indicano che la DNA-PKcs è coinvolta nella plasticità sinaptica.