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

N-acetil-L-aspartato e N-acetil-L-aspartilglutammato nel cervello dei vertebrati

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 cerebrale; 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 particolari cicli metabolici: prodotti nei neuroni e riversati all’esterno, essi possono andare incontro 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, ed è presente negli astrociti. Inoltre, mediante l’utilizzo di 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. Le conclusioni a cui si è giunti sono:

• 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.
• 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 né in nessun altro percorso metabolico; in alcuni neuroni, una percentuale di NAA è convertita in NAAG grazie ad un’altra sintasi specifica, un enzima non ancora 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 aspartoacilasi, 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 sequenza metabolica tricellulare, per la sintesi e l’idrolisi, poiché viene sintetizzato nei neuroni a partire da NAA e L-glutamato, viene idrolizzato a NAA ed infine ulteriormente idrolizzato a L-aspartato e acetato negli astrociti, e L-glutamato negli oligodendrociti.

Attualmente, a parte l’inattivazione genica dell’enzima aspartoacilasi, 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 glutammato (Glu), prodotto nei neuroni da glutaminasi specifiche, e mirano al rilascio di NAAG agli astrociti, dove avviene esattamente il processo inverso, ovvero 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).

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 caratterizzata da iniziale apatia, atrofia ottica, megaloencefalia, atassia e qualche 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 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 globalmente, che deriva da mutazioni di un gene sul cromosoma 17, codificante l’enzima...