N-Acetil Aspartato ed N-Acetil Aspartil Glutammato (NAA NAAG)

R T

E

B

R A

T

I

L’N-acetil-L-aspartato (NAA) è un importante aminoacido del cervello dei

vertebrati. Qui infatti, raggiunge concentrazioni elevate poiché costituisce il 3-4%

dell’osmolarità totale del cervello; in realtà, esso rappresenta appena l’1% del peso

secco dell’organo, e viene sintetizzato in prevalenza (ma non esclusivamente) nei

neuroni, dove arriva a valori di concentrazione dell’ordine di 20 mM (pari al 7%

dell’osmolarità di ogni singolo neurone): ad esso si associa un gradiente intra-

extracellulare molto elevato. Nei neuroni, quindi, sono presenti delle specifiche

sintasi, che producono NAA a partire da acetil-coenzima A e aspartato, i suoi

precursori.

L’NAA, tuttavia, non è l’unico osmolita celebrale; esiste infatti un suo derivato,

l’N-acetil-L-aspartilglutammato (NAAG), altrettanto importante e sottoposto a

diversi cicli metabolici al pari dello stesso NAA. Anche se rappresenta solo il 10%

della concentrazione di NAA, l’NAAG raggiunge comunque un livello molto alto per

qualunque dipeptide presente nel cervello.

Entrambe le sostanze, infatti, sono sottoposte a dei particolari cicli metabolici:

prodotti nei neuroni e riversati all’esterno, essi possono andare in contro al loro

catabolismo in cellule diverse, in base alla presenza di diversi enzimi in grado di

idrolizzarle.

LOCALIZZAZIONE CELLULARE DEGLI ENZIMI CATABOLICI

DELL’NAA E DELL’NAAG

I primi studi di localizzazione enzimatica, effettuati mediante tecniche di

immunolocalizzazione e ibridazione in situ, indicavano semplicemente che l’enzima

catabolico per l’NAA è associato alla mielina, trovandosi negli oligodendrociti,

è presente negli astrociti. Inoltre, mediante l’utilizzo di

mentre quello per l’NAAG

colture cellulari, si era giunti alla conclusione che gli astrociti puri del cervello del

topo contenevano grosse quantità dell’enzima catabolico per l’NAAG. Tuttavia, nessuna

di queste tecniche è riuscita a sciogliere i dubbi sull’effettiva specificità cellulare di

questi enzimi.

Solo recentemente sono state individuate le corrette localizzazioni di questi enzimi,

insieme ai corrispettivi secondi compartimenti nei cicli di NAA e NAAG. Lo studio ha

fatto uso di cellule in coltura con un alto grado di purezza, isolate da cervello di

topo. 1

Le conclusioni a cui si è giunti sono:

1. l’espressione del gene codificante per l’enzima che idrolizza l’NAA a

L-aspartato e acetato, è limitata agli oligodendrociti; lo stesso enzima ha

poca o nulla attività negli astrociti;

2. l’espressione del gene codificante per l’enzima che permette la separazione

tra NAA e NAAG, è limitata agli astrociti; l’enzima ha poca o nulla attività

negli oligodendrociti.

Questi risultati indicano anche che il rilascio di NAA dai neuroni è indirizzato

specificatamente verso gli oligodendrociti, mentre il rilascio di NAAG è invece

indirizzato specificatamente verso gli astrociti nel SNC. Non è errato pensare che

le funzioni chiave dell’NAA e dell’NAAG nel cervello dei vertebrati consistano nella

segnalazione cellulare, nella regolazione delle interazioni tra le cellule cerebrali e

nel mantenimento delle condizioni dell’intero sistema nervoso.

Ricordiamo che l’NAA comunque, non rientra nel metabolismo proteico dei neuroni

ne in nessun altro percorso metabolico; in alcuni neuroni, una percentuale di NAA è

grazie ad un’altra sintasi specifica, un enzima non ancora

convertita in NAAG

completamente caratterizzato; in ogni caso entrambi i composti sono sintetizzati in

cellule che non possono utilizzarle o idrolizzarle!

L’NAA si muove sempre tra i neuroni e gli oligodendrociti, ovvero le uniche cellule

che contengono grosse quantità di aspartoacilase, il principale enzima catabolico del

cervello; il derivato NAAG, sembra anch’esso sottoporsi allo stesso ciclo dell’NAA,

anche se un enzima catabolico importante è rappresentato dalla peptidase NAAG,

presente sulla superficie degli astrociti; l’NAAG è in particolare sottoposto ad una

insolita, per la sintesi e l’idrolisi, poichè viene

sequenza metabolica tricellulare

sintetizzato nei neuroni a partire da NAA e L-glutamato, viene idrolizzato a NAA

ed infine ulteriormente idrolizzato a L-aspartato e

e L-glutamato negli astrociti,

acetato negli oligodendrociti. Attualmente, a parte l’inattivazione genica dell’enzima

aspartoacilase, non esistono inibitori selettivi per le sintasi NAA e NAAG, mentre

si conoscono inibitori selettivi della peptidase NAAG.

IDENTIFICAZIONE DI UN CICLO NAAG UNICO TRICELLULARE

METABOLICO NEL CERVELLO

Neuroni, contenenti le sintasi di NAA e NAAG, astrociti, contenenti peptidase di

NAAG, e oligodendrociti, contenenti aspartoacilasi, formano nel complesso un

circuito tricellulare lungo il quale l’NAA e l’NAAG si muovono.

I neuroni infatti, sono responsabili della sintesi di NAAG a partire da NAA e

glutaminasi specifiche

glutammato (Glu), prodotto nei neuroni da , e mirano al rilascio

dove avviene esattamente il processo inverso, ovvero

di NAAG agli astrociti,

l’idrolisi dell’NAAG. Qui, il Glu viene assorbito, e può essere riutilizzato nel ciclo

glutammato-glutamina (quest’ultima sintetizzata negli astrociti stessi grazie alla

presenza di sintasi). 2

I vicini oligodendrociti agiscono, completando il ciclo tricellulare, mediante idrolisi

ed eliminazione dell’NAA extracellulare residuo; la recente scoperta dei secondi

compartimenti del metabolismo NAA e NAAG, indica che non solo la loro biosintesi

è collegata, ma lo è anche il loro catabolismo. Ciò è avvalorato dalla presenza

dell’aciduria da NAAG in una particolare patologia, il Morbo di Canavan, poiché non

esistono altre importanti vie per il catabolismo di NAAG.

NAA NEL SNC E LA SUA RELAZIONE CON LA MALATTIA DI

CANAVAN (CD)

La presenza di grosse quantità di NNA nel cervello dei vertebrati è stata scoperta

già nel 1956, e nonostante siano ben conosciuti i meccanismi di sintesi nei neuroni e il

suo metabolismo intercompartimentale, la comprensione della sua funzione nel SNC

resta difficile da comprendere.

Indizi sulla funzione si sono rilevati nel 1988, quando si è osservato che una mancanza

dell’enzima per l’NAA nel cervello era una caratteristica principale di individui

affetti dal Morbo di Canavan (Canavan Disease, CD), una rara e profonda forma

iniziale di leucodistrofia spongiforme. I sintomi clinici associati alla malattia sono

stati studiati recentemente; sebbene essa possa comparire dopo alcuni anni, di norma

si osserva una forma iniziale entro i primi mesi di vita dell’individuo e può essere

atrofia ottica, megaloencefalia, atassia e qualche

caratterizzata da iniziale apatia,

forma di epilessia. Allo stadio più avanzato, si può assistere a forme di ritardo

mentale e psicomotorio, e alla mancanza dei parametri basilari dello sviluppo,

(incapacità nel tenere la testa in alto, incapacità nell’afferrare oggetti e nel

3

camminare). Infine, prima di arrivare alla morte dell’individuo si potrebbero

osservare spasticità e paralisi.

Nella forma iniziale della malattia, l’indizio clinico più importante per la diagnosi

precoce (e che la distingue dalle altre forme di leucodistrofia) è l’aumento dei

livelli di NAA nel cervello, e la sua presenza nel sangue e nelle urine. Nel Morbo di

Canavan, anche il metabolismo dell’NAAG è disturbato: infatti, nei pazienti è stata

identificata un aciduria da NAAG.

Il Morbo di Canavan è una malattia genetica autosomica recessiva, distribuita

codificante

globalmente, che deriva da mutazioni di un gene sul cromosoma 17,

l’enzima per l’idrolisi dell’NAA . Possono esserci 29 tipi diversi di mutazioni

ognuna associata a produzione di enzimi inattivi, e alla

specifiche conosciute,

progressiva decostruzione oligodendrocitica della guaina mielinica dell’assone , sebbene

gli assoni stessi rimangano intatti.

Da questa osservazione è evidente che il metabolismo dell’NAA è estremamente

importante per l’interazione di neuroni e oligodendrociti, e partecipa allo stesso

mantenimento dell’integrità degli oligodendrociti mielinizzanti (anche se la funzione

precisa, l’interazione con gli oligodendrociti e collegamento con il Morbo di Canavan

non sono del tutto note).

Partendo dalla mancanza di attività dell’enzima idrolitico, riscontrata nel Morbo di

Canavan, si era inizialmente pensato che il processo di demielinizzazione potesse

essere collegato al flusso continuo di NAA nei neuroni: ciò provocherebbe un

aumento della pressione osmotica esercitata a livello delle giunzioni paranodali assone-

oligodendrocita, e la risultante rottura dei sigilli di giunzione.

sia l’unica malattia neurodegenerativa per cui è

Nonostante il Morbo di Canavan

stato stabilito un legame tra un errore congenito ed il metabolismo dell’NAA, i

sono stati osservati in molte

cambiamenti dei livelli di NAA e NAAG nel cervello

altre malattie neuropatologiche e neuropsichiatriche non correlate; in tutte queste

patologie si osservano cambiamenti a livello di funzione o sopravvivenza degli stessi

neuroni.

STUDIO DEL METABOLISMO DELL’NAA spettroscopia magnetica a

Per studiarne la sintesi si è fatto spesso uso di

13

risonanza in vivo

, utilizzando C e glucosio; da misure è stato dimostrato che la

sintesi di NAA avviene in stretta associazione con quella del glucosio. Infatti,

essendo l’NAA costituito da acetato e aspartato, il glucosio ne risulta precursore:

esiste una relazione tra il tasso di glucosio (o glucosio equivalente ossidato), G, e il

tasso di NAA sintetizzato, S. Per la costruzione di un modello dinamico per

misurare in maniera percentuale la produzione di NAA sintetizzato nel cervello

umano, si considera anche, il tasso di turnover per l’NAA, T, e il grado di riciclo, R,

suo e del suo prodotto idrolizzato (acetato e aspartato).

Possiamo quindi indicare:

rapporto di glucosio ossidato per NAA sintetizzato

il , G/S = K ;

• 1

4

rapporto del metabolismo dell’acqua prodotta per glucosio ossidato

il ,

• G = W ;

6 1

rapporto molare del metabolismo dell’acqua prodotta per NAA

il

• sintetizzato , W /S = W ;

1 2

rapporto molare delle molecole d’acqua prodotte per NAA rilasciato nei

il

• fluidi extracellulari

, K .

2

il livello di NAA nel cervello è costante, ne segue che il tasso di NAA

Se

sintetizzato