Identificazione di un frammento N-terminale della proteina tau generato dal taglio delle caspasi apoptotiche in modelli cellulari ed animali del morbo di Alzheimer

Biochemical modifications of tau proteins have been proposed to be among the earliest neurobiological changes in Alzheimer’s disease (AD) and correlate better with cognitive symptoms than do beta-amyloid plaques. We have recently reported that adenovirus-mediated overexpression of the NH2 26-230aa tau fragment evokes a potent NMDA-mediated neurotoxic effect in primary neuronal cultures. In order to assess whether such N-terminal tau fragment(s) are indeed produced during apoptosis or neurodegeneration in vivo, we attempted to ascertain their presence in cell and animal models using an anti-tau antibody directed against the N-terminal sequence of human protein located downstream of the caspase(s) cleavage site DRKD25-QGGYTMHQDQ. We provide biochemical evidence that a caspase(s)-cleaved NH2-terminal tau fragment of 20-22 kDa, consistent with the size of the NH2 26-230aa neurotoxic fragment of tau, is generated in vitro in differentiated human SH-SY5Y cells undergoing apoptosis by BDNF withdrawal or following treatment with staurosporine. In addition this NH2-terminally cleaved tau fragment, whose expression correlates with a significant up-regulation of caspase(s) activity, is also specifically detected in vivo in the hippocampus of 15 months old AD11 transgenic mice, a model in which a progressive AD-like neurodegeneration is induced by the expression of transgenic anti NGF antibodies. Having confirmed that adenovirus-mediated overexpression of NH2-tau fragment lacking the first 25 aminoacids evokes a potent neurotoxic effect, sustained by protracted stimulation of NMDA receptors, in primary neuronal cultures we investigated whether and how chemically synthesized NH2-derived tau peptides, i.e. NH2-26–44 and NH2-1–25 fragments, affect mitochondrial function. Oxidative phosphorylation is not affected by NH2-1–25 tau fragment, but dramatically impaired by NH2-26–44 tau fragment. Both cytochrome c oxidase and the adenine nucleotide translocator are targets of NH2-26–44 tau fragment, but adenine nucleotide translocator is the unique mitochondrial target responsible for impairment of oxidative phosphorylation by the NH2-26–44 tau fragment, which then exerts deleterious effects on cellular availability of ATP synthesized into mitochondria. The results (Corsetti et al., 2008; Atlante et al., 2000) support the idea that aberrant activation of caspase(s), following apoptotic stimuli or neurodegeneration insults, may produce one or more toxic NH2-tau fragments, that further contribute to propagate and increase cellular dysfunctions in AD.

E’ stato proposto che le alterazioni biochimiche (fosforilazione e/o proteolisi) delle proteine tau rappresentano uno tra i marcatori piu’ precoci del processo neurodegenerativo del morbo di Alzheimer (AD). Tali modificazioni inoltre, diversamente dalle placche di beta amiloide (Aβ), meglio correlano con il decorso clinico e il progressivo declino cognitivo associato a tale malattia dementigena. E’ stato recentemente riportato che un aumento dei livelli di espressione del frammento di tau NH2 26-230aa , ottenuto mediante infezione adenovirus-mediata di colture neuronali ippocampali e corticali, evoca un potente effetto neurotossico causato da un’ attivazione protratta e sostenuta dei recettori extrasinaptici del glutammato di tipo NMDA (Amadoro et al.,2004; Amadoro et al.,2006). La mia tesi di dottorato e’ stata pertanto finalizzata all’identificazione di tale frammento N-terminale di tau in diversi modelli cellulari ed animali di neurodegenerazione apoptotica di tipo AD, utilizzando un anticorpo diretto contro il neo-epitopo mappante nella sequenza NH2 della proteina tau umana e localizzato “a valle” del sito di taglio della(e) caspasi DRKD25-QGGYTMHQDQ. In questo lavoro sperimentale noi riportiamo dati morfologici e biochimichi evidenzianti che un frammento NH2-terminale di tau di 20-22 kDa, generato dopo taglio delle caspasi e consistente con le dimensioni del peptide neurotossico NH2-26-230aa, e’ prodotto in vitro sia (i) nella linea umana di neuroblastoma SH-SY5Y, differenziata ed indotta in apoptosi mediante privazione di BDNF o in seguito al trattamento farmacologico con staurosporina (STS) che (ii) nei neuroni ippocampali maturi di ratto esposti al peptide Aβ pre-fibrillare. Inoltre tale frammento di tau, la cui espressione correla con una significativa attivazione delle caspasi apptotiche, e’ rilevato anche in vivo, nell’ippocampo dei topi transgenici AD11, un noto modello animale in cui la progressiva neurodegenerazione di tipo AD e’ indotta mediante l’espressione di anticorpi intarcellulari anti-NGF. Infine, mediante saggi cell-free sui mitocondri neuronali intatti, noi dimostriamo che il peptide sintetico NH2 26-44, la minima regione del frammento N-terminale di tau che sostiene in vitro l’effetto neurotossico (Amadoro et al., 2006), significativamente diminuisce lo scambio ADP/ATP mediato dal traslocatore mitocondriale ANT. Al contrario il peptide non tossico NH2 1-25(Amadoro et al.,2006) non esibisce alcun effetto. Questi risultati (Corsetti et al., 2008; Atlante et al., 2008) supportano l’ipotesi che un aberrante attivazione delle caspasi, in seguito a stimoli apoptotici o ad insulti neurodegenerativi, possa produrre uno o piu’ frammenti tossici di tau derivati dal dominio N-terminale, i quali ulteriormente contribuiscono a propagare ed ad aumentare il danno cellulare durante la progressione dell’AD.