Quando il gene DUX4 si riaccende nel muscolo
La FSHD è una malattia genetica causata dall’alterazione di una particolare regione del DNA, situata all’estremità del braccio lungo del cromosoma 4 (chiamata 4q35).
A differenza di altre distrofie muscolari, la FSHD non è dovuta alla mancanza di una proteina, ma a un problema di regolazione del DNA. In questa zona avvengono infatti dei cambiamenti “epigenetici”, cioè modifiche che non alterano la sequenza del DNA, ma influenzano il modo in cui specifiche porzioni di DNA (note come geni) si accendono o si spengono. I geni sono le istruzioni che permettono alle cellule di produrre le proteine, ovvero i principali effettori delle funzioni biologiche e i “mattoni” che costruiscono i tessuti dell’organismo.
A causa di queste alterazioni epigenetiche, un gene chiamato DUX4, che normalmente è “spento” nei muscoli, si riattiva in modo anomalo. Questo gene dovrebbe essere attivo solo nelle primissime fasi dello sviluppo embrionale e poi essere silenziato in epoca post-natale tranne che in tessuti specifici come testicoli e timo. Nella FSHD, invece, DUX4 si “riaccende” nei muscoli e, nel tempo, porta alla perdita progressiva delle cellule muscolari sane, causando indebolimento e atrofia dei muscoli.
La regione 4q35 del cromosoma 4 contiene una serie di unità di DNA ripetute in sequenza, chiamate D4Z4. Ogni unità D4Z4 include una copia del gene DUX4. Nelle persone sane, questa regione è formata da 11 a 150 unità ripetute, e la struttura del DNA in quest’area è molto compatta (una condizione chiamata cromatina condensata), e consente di mantenere il gene DUX4 spento. Nei pazienti con FSHD, invece, il numero di unità ripetute è ridotto a 1-10 unità. Questa riduzione fa sì che la cromatina diventi più rilassata e accessibile, permettendo al gene DUX4 di riattivarsi in modo anomalo nei muscoli. Quando viene attivato, DUX4 produce l’omonima proteina che nelle cellule muscolari ha un effetto tossico, interferendo con il normale funzionamento e la sopravvivenza delle fibre muscolari. Questo processo è stato osservato in diversi studi in vitro, ma non è ancora completamente dimostrato che rappresenti l’unica causa della progressiva degenerazione muscolare nei pazienti.
Lo studio dei meccanismi patogenetici della FSHD è tuttora difficoltoso, poiché non sono disponibili modelli animali pienamente riconducibili o rappresentativi della malattia umana, dato che la regione cromosomica coinvolta è presente solo nei primati. Per questo motivo, al momento, il modello più attendibile resta quello umano, che continua a essere la chiave per comprendere a fondo i processi alla base della FSHD.
Il ruolo della metilazione e gli alleli 4qA e 4qB
La metilazione è una modifica epigenetica del DNA che funziona come un vero e proprio interruttore genetico attraverso la modulazione della configurazione della cromatina:
- quando la metilazione è alta (ipermetilazione, interruttore spento), la cromatina è condensata e i geni restano silenziati;
- quando la metilazione è bassa (ipometilazione, interruttore acceso), la cromatina è rilassata e i geni vengono attivati.
Nella FSHD, la metilazione nella regione D4Z4 è ridotta, e questo rende la cromatina più aperta e accessibile. In queste condizioni, il gene DUX4, che normalmente dovrebbe restare spento nei muscoli, può riattivarsi in modo anomalo.
Accanto alla regione D4Z4 si trovano due varianti del cromosoma 4, chiamate allele 4qA e allele 4qB. Solo la variante 4qA contiene una sequenza specifica, detta sito di poliadenilazione (PAS), indispensabile perché il gene DUX4 venga espresso in modo stabile. Per questo motivo, la FSHD si manifesta solo quando sono presenti entrambe le condizioni, l’ipometilazione della regione D4Z4 e un allele 4qA, definito per questo “permissivo”.
FSHD1 e FSHD2
- FSHD1 (95% dei casi): la malattia è dovuta a una riduzione del numero di unità ripetute D4Z4 nella regione 4q35, che passa da un valore normale (11–150) a 1-10 unità. Questa contrazione rende la cromatina più rilassata e provoca una diminuzione dei livelli di metilazione (ipometilazione), permettendo l’attivazione anomala del gene DUX4 nelle cellule muscolari. Tuttavia, per rendere possibile un’espressione stabile e patologica del gene, la contrazione deve trovarsi su un allele 4qA permissivo.
- FSHD2 (5% dei casi): il numero di unità D4Z4 rientra spesso nei limiti superiori della soglia di patogenicità o in un intervallo anche sovrapponibile ai valori normali (generalmente tra 8 e 20 unità), ma i livelli di metilazione della regione risultano marcatamente ridotti a causa di mutazioni in geni coinvolti nella regolazione epigenetica della D4Z4, come SMCHD1, DNMT3B e LRIF1. In presenza di un allele 4qA permissivo, queste mutazioni determinano la perdita di repressione epigenetica della regione, consentendo l’attivazione aberrante del gene DUX4 nei muscoli.
- Forma digenica (FSHD1+FSHD2): in alcuni individui o famiglie, si osserva la combinazione dei due meccanismi, ovvero una contrazione delle unità D4Z4 tipica della FSHD1 e mutazioni nei geni regolatori propri della FSHD2, in presenza di un allele 4qA permissivo. Questa condizione, detta forma digenica, può influenzare la gravità della malattia, determinando un fenotipo più severo.
Cosa fa DUX4 nel muscolo
DUX4 è un fattore di trascrizione espresso fisiologicamente durante le fasi precoci dello sviluppo embrionale e, in epoca post-natale, limitatamente a tessuti specifici come testicoli e timo.
Quando viene espresso nel muscolo adulto:
- interferisce con il normale differenziamento delle cellule muscolari;
- altera la funzione dei mitocondri e i meccanismi di difesa antiossidante;
- innesca risposte infiammatorie;
- causa la morte delle cellule muscolari (apoptosi) e l’atrofia dei tessuti muscolari coinvolti.
Approfondimento per i più curiosi
Nella FSHD, diversi processi cellulari e molecolari concorrono al progressivo danno muscolare.
- PAX7 e DUX4: in cellule sane, PAX7 regola il rinnovamento e il differenziamento delle cellule staminali muscolari, fondamentali per la rigenerazione del tessuto. L’attivazione di DUX4 sopprime l’espressione dei geni regolati da PAX7, riducendo la capacità del muscolo di ripararsi dopo il danno e compromettendo il normale mantenimento delle fibre muscolari.
- Stress ossidativo: DUX4 induce l’espressione di geni che aumentano la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e riducono i sistemi di difesa antiossidante, con un conseguente danno ai mitocondri e una minore efficienza energetica delle cellule muscolari.
- Infiammazione locale: i geni attivati da DUX4 possono favorire la produzione di molecole infiammatorie che “richiamano” cellule del sistema immunitario nel tessuto muscolare, amplificando il danno e contribuendo alla progressiva perdita di fibre muscolari sane.
- Variabilità individuale: l’esordio, la gravità e la sintomatologia della FSHD può variare da persona a persona. Mutazioni o varianti nei geni SMCHD1, DNMT3B o LRIF1 possono modificare i livelli di metilazione e di silenziamento della regione D4Z4, agendo come fattori “modificatori” del fenotipo.
