Genetica ed Ereditarietà

Introduzione

La malattia di Parkinson (MP) è la patologia neurodegenerativa più frequente dopo la malattia di Alzheimer. Colpisce infatti circa l’1% della popolazione con più di 60 anni e raggiunge il 4% tra i soggetti oltre gli 85 anni di età. Nonostante la prevalenza aumenti progressivamente con l’età, non sono rari i casi in cui la malattia si manifesta prima dei 45-50 anni (EOPD, Early Onset Parkinson’s Disease), che rappresentano circa il 3-4% dei pazienti con MP. Un esiguo numero tra questi presenta un esordio  prima dei 21 anni: si tratta di forme di parkinsonismo definito giovanile, dove spesso i segni clinici della MP rappresentano solo parte di un quadro neurologico più complesso ed invalidante.

Sebbene inizialmente si riteneva che la MP fosse causata da fattori ambientali (tossici, infettivi, ecc…), l’osservazione di una storia familiare positiva nel 10-20% dei pazienti suggerisce da tempo il coinvolgimento di fattori genetici nella patogenesi della malattia. Oggi la MP è considerata prevalentemente una patologia multifattoriale, cioè dovuta all’interazione tra molteplici fattori di rischio genetici ed ambientali. Il contributo di tali fattori varia da paziente a paziente, delineando un ampio spettro alle cui estremità troviamo da una parte i parkinsonismi puramente genetici (o monogenici) e dall’altra le forme cosiddette idiopatiche, in cui il contributo dei singoli fattori genetici ed ambientali è molto ridotto e difficile da identificare.

Negli ultimi 15 anni, la ricerca genetica sulle forme di MP familiare ha condotto ad importanti scoperte che hanno rivoluzionato le attuali conoscenze in questo campo. Ben 19 loci genici e 15 geni distinti sono stati correlati a forme monogeniche di MP, in cui mutazioni in un singolo gene sono sufficienti a causare la patologia. Queste forme, trasmesse con modalità autosomica dominante (AD) o autosomica recessiva (AR), sono complessivamente responsabili di circa il 10% dei casi di MP. Più recentemente, sono stati scoperti importanti fattori di rischio genetici per la MP, cioè varianti genetiche non sufficienti a causare la malattia ma che, se presenti, aumentano notevolmente il rischio di ammalare (anche fino a 5-6 volte tanto rispetto ai non portatori). Tali fattori di rischio genetici comprendono varianti polimorfiche in numerosi geni e mutazioni in eterozigosi in geni solitamente non causativi di MP, come il gene della beta-glucocerebrosidasi (GBA), responsabile della malattia di Gaucher, una malattia metabolica da accumulo a trasmissione autosomica recessiva.

In generale, si può assumere che più precoce è l’età d’esordio della MP, più elevata è la probabilità che si tratti di una forma monogenica o comunque con una forte base genetica.

MP a trasmissione autosomica recessiva

Nelle malattie a trasmissione autosomica recessiva è necessario che entrambe le copie dello stesso gene (alleli) siano mutate affinché la patologia si manifesti. Una ereditarietà recessiva è da sospettare in tutte quelle famiglie, spesso consanguinee, dove più individui di una stessa generazione, ma non i loro genitori né i loro figli, sono affetti dalla stessa patologia.

Ad oggi sono stati identificati 8 geni causativi di parkinsonismi AR, ma solo 3 di questi (PARK2/Parkin , PARK6/PINK1 e PARK7/DJ-1) causano forme pure di MP.
Gli altri geni (PARK9/ATP13A2, PARK14/PLA2G6, PARK15/FBXO7, DNAJC6 e SYNJ1) sono responsabili di forme atipiche di parkinsonismo giovanile, caratterizzate da una progressione rapida e da un complesso quadro clinico in cui i segni parkinsoniani sono variabilmente associati ad altre alterazioni neurologiche.

Parkinsonismo “puro” ad esordio precoce

Mutazioni bialleliche, omozigoti o eterozigoti composte, nel gene Parkin sono le più comuni alterazioni genetiche identificate nelle forme pure di MP esordio precoce (fino all’8-9% dei casi di MP con età d’esordio < 40-45 anni). Mutazioni nei geni  PINK1 e DJ- 1 sono invece più rare e rappresentano rispettivamente il 3-4 % e < 1 % dei casi di EOPD, con una frequenza variabile in popolazioni distinte.

La proteina codificata dal gene Parkin è una E3 ligasi che partecipa alla regolazione della degradazione proteasomica di substrati proteici, grazie alla sua capacità di trasferire a questi ultimi molecole di ubiquitina attivata. Il gene PINK1 codifica per una chinasi mitocondriale ad attività neuroprotettiva ed antiapoptotica. Recentemente è stato dimostrato che le proteine Parkin e PINK1 interagiscono in uno stesso pathway deputato a selezionare ed eliminare definitivamente dalla cellula i mitocondri danneggiati, processo noto oggi come mitofagia. Il gene DJ-1 invece codifica per una proteina coinvolta nella protezione della cellula neuronale dallo stress ossidativo.

PARK2/ Parkin (locus 6q25.2–q27)

Il gene Parkin è stato identificato nel 1998 in alcune famiglie di origine Turca e Giapponese che avevano un fenotipo comune definito “parkinsonismo ad esordio precoce con fluttuazioni diurne”. A distanza di 15 anni dalla prima descrizione, sono state identificate più di 170 differenti mutazioni , tra cui delezioni o moltiplicazioni di uno o più esoni del gene, piccole delezioni/inserzioni e sostituzioni nucleotidiche. La frequenza delle mutazioni si riduce significativamente con l'aumentare dell'età di insorgenza della sintomatologia, raggiungendo il 77% nei casi  con esordio prima dei 20 anni e diventando estremamente rara nei pazienti con esordio dopo 45 anni (2-7%). Altre caratteristiche cliniche tipiche di questa forma di parkinsonismo sono la precoce comparsa di distonia (soprattutto del piede), la lenta progressione della malattia, le fluttuazioni diurne, l’effetto benefico del sonno sulla sintomatologia e l’ottima risposta alla terapia con Levodopa o dopaminoagonisti, spesso però compromessa dall’insorgenza di effetti collaterali quali discinesie ed effetti di fine dose (“wearing off”). Occasionalmente possono essere presenti anche altri segni neurologici quali iperreflessia, o disturbi comportamentali (soprattutto ansia)  ma non demenza o alterazioni autonomiche.

PARK6/ PINK1(Chinasi 1 indotta da PTEN, locus 1p36)

Mutazioni bialleliche del gene PINK1, identificate per la prima volta nel 2004 in tre famiglie consanguinee di origine italiana e spagnola, sono la seconda causa più frequente di parkinsonismo AR ad esordio precoce, con una prevalenza che varia nelle diverse etnie (dall’1 al 9% dei casi). Si tratta solitamente di mutazioni puntiformi o piccole inserzioni/delezioni, mentre riarrangiamenti esonici ed estese delezioni, anche dell’intero gene, si riscontrano meno frequentemente. La MP associata a mutazioni del gene PINK1 è sostanzialmente indistinguibile dal fenotipo Parkin-correlato, con l’eccezione di una età d’esordio mediamente più tardiva (solitamente compresa fra  i 30 e i 50 anni), minor frequenza di fluttuazioni diurne e di beneficio da sonno, e frequente presenza di disturbi psichiatrici quali depressione, ansia e psicosi.

PARK7/ DJ-1(Daisuke-Junko-1, locus 1p36)

Tra le cause di parkinsonismo puro AR ad esordio precoce, le alterazioni del gene PARK7/DJ-1 sono di gran lunga le più rare. Mutazioni puntiformi e delezioni esoniche sono state descritte solo in pochi casi che presentavano una forma di parkinsonismo molto simile alle altre forme AR, fatta eccezione per una età d’esordio più precoce (solitamente intorno ai 20 anni), e per la presenza di caratteristiche fenotipiche atipiche quali blefarospasmo, distonia cervicale e disturbi psichiatrici.

MP a trasmissione autosomica dominante

Nelle malattie a trasmissione autosomica dominante (AD) è sufficiente che una sola copia del gene sia mutata perché la patologia si manifesti. Pertanto, una ereditarietà AD è da sospettare in tutte quelle famiglie dove almeno un individuo in più generazioni consecutive sia affetto dalla stessa patologia. La presenza di portatori asintomatici della mutazione (dovuto ad un fenomeno ancora non ben chiaro definito “penetranza incompleta”) può, in alcune occasioni, ostacolare il riconoscimento di questo tipo di trasmissione.

Almeno 8 geni e loci sono stati associati a forme AD di MP ma solo pochi tra questi (PARK1-PARK4/SNCA, PARK8/LRRK2, PARK17/VPS35 e PARK18/EIF4G1) sono considerati causativi di forme monogeniche di parkinsonismo. Mentre i geni  SNCA e LRRK2, e il parkinsonismo ad essi associato, sono ben caratterizzati, i dati disponibili per i geni VPS35 e EIF4G1, descritti per la prima volta solo pochi anni fa, sono ancora scarsi. Il ruolo patogenetico di altri geni (come PARK5/UCHL1, PARK11/GIGYF2 e PARK13/HTRA2) rimane invece ancora non confermato. Nelle forme dominanti l’età d’esordio è variabile, solitamente più tardiva rispetto alle forme recessive ma più precoce rispetto alle forme idiopatiche di MP.

Il gene SNCA codifica per l’alfa-sinucleina, una proteina di 140 aminoacidi con una spiccata propensione ad aggregare e formare fibrille insolubili, con effetti tossici diffusi per i neuroni dopaminergici. L’alfa-sinucleina rappresenta infatti la componente proteica maggiormente rappresentata nei corpi di Lewy, gli aggregati citoplasmatici tipici della MP, che si riscontrano nei neuroni dopaminergici superstiti. L’accumulo di alfa-sinucleina aumenta drasticamente in presenza di mutazioni puntiformi o in caso di moltiplicazioni dell’intero gene SNCA. Il gene LRRK2 codifica invece per una proteina citoplasmatica con diversi domini e numerose funzioni (tra cui attività chinasica). Alcune mutazioni di LRRK2 sembrano aumentare in  maniera patologica l’attività chinasica della proteina, ma ad oggi non è ancora ben chiaro il meccanismo patogenetico per cui la proteina mutata causi neurodegenerazione.  Infine, i prodotti dei geni VPS35 e EIF4G1 sono rispettivamente una subunità del complesso retromerico, che regola il traffico intracellulare di vescicole sinaptiche e il riciclaggio di proteine, e un fattore di trascrizione coinvolto nei processi di traduzione delle molecole di RNA messaggero. Anche in questi casi il meccanismo patogenetico di danno neuronale non è ancora stato ben caratterizzato.

PARK1-PARK4/SNCA (alfa-sinucleina, locus 4q21-q23)

Mutazioni puntiformi e moltiplicazioni del gene SNCA rappresentano una causa abbastanza rara di MP a trasmissione dominante. Le duplicazioni rappresentano circa l’1-2% dei casi familiari di MP compatibili con una trasmissione AD, ma sono state occasionalmente descritte anche in casi sporadici. Invece, le triplicazioni dell’intero gene e le mutazioni puntiformi sono estremamente rare, ed identificate per lo più in isolati casi familiari.

Sinora sono state identificate cinque mutazioni puntiformi nel gene SNCA (p.A53T, p.A30P, p.E46K, p.H50Q e p.G51D). Tali mutazioni sono associate ad un parkinsonismo ad elevata penetranza (fino all’85% per la mutazione p.A53T), con esordio prima dei 50 anni ed iniziale buona risposta alla terapia farmacologica. In molti casi tuttavia si assiste ad una rapida progressione della sintomatologia motoria ed alla comparsa di segni non motori quali compromissione cognitiva, alterazioni autonomiche, disturbi psichiatrici e segni atipici come ipoventilazione e mioclono. Le moltiplicazioni dell’intero gene invece sembrano causare un fenotipo strettamente correlato al numero di copie del gene SNCA. Infatti, le triplicazioni sono associate costantemente ad una forma di MP altamente penetrante, rapidamente progressiva e ad esordio precoce (entro la quarta decade), accompagnata da gravi disturbi della sfera cognitiva, psichiatrica e disautonomica. Le duplicazioni invece sono associate ad una più ampia variabilità clinica che va da soggetti sani non penetranti (la penetranza calcolata è del 33% circa) a forme simili ad una MP idiopatica ad esordio tardivo,  a quadri più gravi con coinvolgimento non motorio e progressione rapida, che ricordano quelli causate dalle triplicazioni del gene.

PARK8/LRRK2 (kinasi 2 ricca di ripetizioni di leucina, locus 12q12)

Le mutazioni del gene LRRK2 sono la causa più comune di MP a trasmissione AD, descritta sia in casi familiari che sporadici, con una frequenza che varia dal 2% al 40% nelle diverse popolazioni. Nella maggior parte dei casi mutazioni in questo gene sono responsabili di MP molto simile alla forma idiopatica, caratterizzata spesso da tremore unilaterale (frequentemente il primo tra i segni clinici a comparire), buona risposta alla terapia farmacologica e, in alcuni casi, compromissione cognitiva. L’esordio è estremamente variabile, dalla quarta all’ottava decade di vita, sebbene la penetranza aumenta con l’età per cui è più frequente osservare soggetti con esordio in età tardiva.

LRRK2 è un gene molto grande (51 esoni) e fino ad oggi sono state descritte più di  100 varianti nucleotidiche ( http://www.molgen.ua.ac.be/PDmutDB ). Tuttavia solo sette sono state definite sicuramente patogenetiche (p.N1437H, p.R1441C, p.R1441G, p.R1441H, p.Y1699C, p.G2019S e p.I2020T).
Tra queste, la più comune è la mutazione p.G2019S: la sua frequenza sembra diminuire proporzionalmente con l'aumentare della distanza dalle aree del Mediterraneo, verosimilmente per un effetto fondatore: la mutazione è infatti molto frequente nella popolazione Ebrea Ashkenazita e Araba nord-Africana (fino al 40%), mentre la frequenza si riduce nelle popolazioni caucasiche (5-8 % dei casi familiari e 0,5-2% dei casi sporadici) ed è estremamente rara in Asia. La mutazione p.R1441G invece è particolarmente frequente nella regione basca della Spagna, anche qui per un effetto fondatore.

PARK17/VPS35 e PARK18/EIF4G1

Mutazioni dominanti nei geni VPS35 e EIF4G1 sono causa molto rara di parkinsonismo simil-idiopatico, con frequenza stimata rispettivamente dello 0,1% e 0,02-0,2%. In particolare, la mutazione p.D620N del gene VPS35 è stata identificata lo più in casi di MP ad esordio tardivo e solo raramente in pazienti con età d’esordio inferiore ai 50 anni.

Parkinsonismo  monogenico o multifattoriale? Il gene GBA (beta-glucocerebrosidasi, locus 1q21)

Mutazioni eterozigoti (monoalleliche) del gene GBA sono considerate un forte fattore di rischio di MP. Infatti, i soggetti portatori di mutazioni eterozigoti in questo gene presentano un rischio circa cinque volte maggiore di sviluppare la malattia rispetto ai non portatori, e tale rischio sembra aumentare con l’età (2,2% a 65 anni, fino al 10% a 80 anni). Questi dati epidemiologici suggeriscono che GBA si comporti più come un gene autosomico dominante a penetranza estremamente ridotta che come un fattore di suscettibilità genetica. Va inoltre considerato che le lo stato di portatore eterozigote di mutazioni in questo gene è anche relativamente comune, con una frequenza dell’1% nella popolazione mondiale, ed estremamente variabile nelle diverse etnie (ad esempio molto elevata tra gli ebrei askenaziti). Sebbene l’età media d’esordio di MP in pazienti portatori di mutazioni GBA sia lievemente anticipata rispetto alla forma idiopatica, un’insorgenza precoce della sintomatologia (< 45 anni) è piuttosto rara. L’espressione fenotipica di questa forma di parkinsonismo è estremamente variabile, spaziando da forme tipiche di MP ad esordio tardivo a forme con distribuzione bilaterale dei segni motori, progressione rapida e maggior frequenza di segni non motori quali deterioramento cognitivo, disturbi psichiatrici ed autonomici. Recentemente mutazioni in GBA  sono state anche identificate come potenziali modificatrici della progressione di malattia, in grado di aumentare di 4 volte il valore della scala di Hoehn e Yahr e di 5 volte il rischio di sviluppare deterioramento cognitivo.

Non sono ancora ben noti i meccanismi attraverso cui mutazioni del gene GBA siano in grado di aumentare il rischio di sviluppare MP.  Il gene GBA codifica per la beta-glucocerebrosidasi, un enzima coinvolto nel metabolismo dei glicolipidi che, in presenza di mutazioni bialleliche, si accumula all’interno delle cellule di diversi organi, causando la malattia di Gaucher. Nei pazienti con MP, con o senza mutazioni in GBA,  è stata dimostrata una ridotta attività catalitica dell’enzima che porterebbe ad una compromissione dell’attività lisosomiale dei neuroni con conseguente accumulo di diverse sostanze di natura proteica, tra cui anche l’alfa-sinucleina. Non sorprende infatti che aggregati di alfa-sinucleina e LBs siano stati riscontrati in reperti autoptici di pazienti con MP e mutazioni in GBA.

Conclusioni

Sebbene la  MP sia una patologia neurodegenerativa tipica dell’età avanzata, non sono rari i casi in cui i primi sintomi si manifestano prima dei 50 anni di età. Solitamente, più precoce è l’esordio più è probabile che si tratti di una forma di MP geneticamente determinata. Tra le forme monogeniche di parkinsonismo, Parkin, PINK1e DJ-1 sono i geni che più frequentemente sono mutati nei pazienti con MP “pura” ad esordio precoce.  Solo più raramente i geni a trasmissione AD sono responsabili di forme di parkinsonismo simil- idiopatico in cui i primi sintomi si manifestano prima dei 45-50 anni. Si tratta di una minoranza di casi con mutazioni puntiformi nel gene LRRK2, con duplicazioni del gene SNCA e  di casi isolati con mutazioni nei geni VPS35 e EIF4G1. Più comunemente infatti mutazioni in questi geni causano forme di MP ad esordio tardivo o, limitatamente alle mutazioni puntiformi e alle triplicazioni del gene SNCA, forme più aggressive di parkinsonismo, ad esordio precoce ma complicato da una invalidante sintomatologia non motoria. Infine anche pazienti con mutazioni nel gene GBA possono manifestare i primi sintomi della MP tra i 45-50 anni, sebbene l’esordio di questa forme di parkinsonismo sia tipicamente più tardiva.

Nonostante l’enorme progresso raggiunto, il ruolo della genetica nella patogenesi della MP rimane ancora solo parzialmente compreso. Le forme monogeniche di parkinsonismo rappresentano meno del 10% dei casi, probabilmente perché molti geni sono ancora da scoprire, e le conoscenze sui fattori di suscettibilità genetica associati alla patologia sono ancora scarse e spesso discordanti. Recentemente però, grazie all'avvento di tecnologie innovative, quali il sequenziamento di nuova generazione (NGS) e gli studi di associazione su tutto il genoma (Genome Wide Association Studies, GWAS), questo scenario sta cambiando. La possibilità di analizzare tutto il genoma, o solo la parte codificante di questo, ha permesso di scoprire, in tempi estremamente rapidi, numerosi  geni e fattori di suscettibilità coinvolti nella patogenesi della MP. Stiamo assistendo ad una vera rivoluzione nel mondo della genetica. Solo incrementando questo tipo di conoscenze sarà possibile identificare, e quindi bloccare, i meccanismi responsabili della neurodegenerazione alla base di questa patologia.

Dott. Simona Petrucci
Unità di  Neurogenetica, Laboratorio CSS-Mendel
IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza
San Giovanni Rotondo
Dipartimento di Medicina Sperimentale
Università “La Sapienza”
Roma

Dott. Enza Maria Valente
Unità di  Neurogenetica, Laboratorio CSS-Mendel
IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza
San Giovanni Rotondo
Dipartimento di Medicina e Chirurgia
Università di Salerno