Le Encefalopatie Spongiformi Trasmissibili (TSE) o Malattie da Prioni, costituiscono un gruppo di malattie neurodegenerative fatali, ad eziologia sporadica, genetica o infettiva che colpiscono l’uomo e diverse specie animali. Il meccanismo patogenetico responsabile delle TSE consiste nella conversione conformazionale della normale proteina prionica cellulare (PrPC), con una struttura prevalentemente ad α-elica, in una forma aberrante, ricca in β-sheet, parzialmente insolubile in detergenti non ionici e resistente alla digestione con proteasi, denominata PrPSc, che rappresenta il marcatore diagnostico di queste malattie. Nei bovini, sono due le forme di TSE conosciute: l’encefalopatia spongiforme bovina (BSE) e l’encefalopatia spongiforme amiloidotica bovina (BASE). Della prima sono ampiamente note sia la manifestazione fenotipica sia la caratterizzazione biochimica del ceppo proteico grazie al fiorire di studi in seguito all’epidemia che a partire dal 1985 ha colpito molti allevamenti bovini della Gran Bretagna. Della seconda, invece, non esiste ancora una completa caratterizzazione a causa della sua recente identificazione. Infatti solo nei primi anni del 2000 sono state riconosciute due nuove forme atipiche di BSE, chiamate high type (BSE-H) and low type (BSE-L) in base alla differente migrazione elettroforetica dell’isoforma non glicosilata della PrPSc bovina. Anche la BASE è stata definita una forma atipica di BSE per le notevoli differenze molecolari e neuropatologiche presentate dalla proteina prionica. Infatti la PrPSc associata alla BASE è risultata paragonabile a quella della BSE-L, per il peso e il profilo di glicosilazione delle isoforme, e distinguibile dalla BSE per la presenza di depositi ricchi di amiloide, chiamati placche kuru, a livello cerebrale. E’ stata così suggerita l’ipotesi dell’esistenza di un ceppo di prione della BASE diverso rispetto a quello della BSE, ma uguale a quello della BSE-L. Anche recenti studi di trasmissione in topi PrP-bovinizzati hanno contribuito a confermare tali dati, dimostrando come la BASE sia una patologia più aggressiva e più facilmente trasmissibile della BSE. Mancando sia le conferme a queste preliminari sperimentazioni sia l’identificazione del fenotipo clinico-patologico associato alla BASE, abbiamo progettato uno studio di trasmissione intraspecie di ceppi di BSE e BASE in bovini di razza Frisona e Bruna Alpina. Utilizzando la stessa specie di quella che ha contratto in origine l’infezione, si sono raggiunti due obiettivi: ridurre il periodo di incubazione, evitando il fenomeno dell’adattamento e tutti i processi atti a superare la barriera di specie, e delineare il quadro fenotipico della BASE. Gli animali inoculati con BASE hanno manifestato un comportamento affine alla depressione diverso da quello più irrequieto degli animali infettati con BSE, associato ad una progressiva amiotrofia. Inoltre i bovini hanno presentato profili molecolari e neuropatologici affini alle caratteristiche del donatore, confermando la diversità dei due strains proteici. Lo studio si è avvalso anche di un’analisi ultrastrutturale, che, oltre a confermare la diversità del pattern di deposizione della PrPSc nelle due forme di TSE, ha rilevato significative differenze nella localizzazione subcellulare della proteina prionica. Questa sperimentazione ha permesso di valutare tutti gli aspetti clinici, biochimici, istologici, immunoistochimici e ultrastrutturali associati alla PrPSc ed ottenere quindi una completa caratterizzazione della BASE, confermando i dati già presenti in letteratura sulla diversità del ceppo proteico rispetto quello della BSE e riproducendo per la prima volta la manifestazione fenotipica.

Transmissible Spongiform Encephalopathies (TSE) or Prion diseases are a group of rare, fatal and transmissible neurodegenerative disorders that affect both humans and animals. Clinically these diseases exist in sporadic, genetic and acquired forms, and present with a variety of neurological signs. TSE diseases are characterized by accumulation, primarily in the brain, of an abnormal isoform of the normal host-encoded prion protein (PrPC), named PrPSc that is considered the disease-associated agent. The central event of the TSE is a post-translational conformational change of the PrPC, a plasma membrane glycoprotein, rich in α-helix, into the PrPSc that has a higher β-sheet content. In bovine there are two forms of TSE: Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) and Bovine Amyloidotic Spongiform Encephalopathy (BASE). After the epidemy in cattle in UK in 1985, many researches characterized the phenotype and the biochemistry of PrPSc in BSE. Recently new atypical forms of BSE are discovered and called BSE-H (higher) and BSE-L (lower) for the different molecular mass of unglycosilated isoform of PrPSc. Also BASE is classified as atypical BSE with a prion protein similar to BSE-L and it is distinguishable from BSE for differences in pattern of deposition, consistent in the presence of amyloid plaques, in distinct molecular masses and in glycosilation profile of prion isoforms. These observations suggest that cattle may have two distinct prion strains, refered to two forms of TSE and that prion protein of BASE could be the same of BSE-L. Also recent studies on PrP-bovinized transgenic mice have showed that BASE is a more aggressive disease than BSE, characterized by shorter period of incubation. To investigate the characteristics of prion strains responsible of BSE and BASE, we carried out transmission by inoculation of BSE and BASE isolates in Fresian and Alpine brown cattle. Intraspecies transmission permitted firstly to reduce the period of incubation, overcoming the species barrier, and secondly to identify the phenotype of BASE. BASE inoculated cattle showed a progressive muscle atrophy and a dull behaviour, in contrast with aggressiveness and hypersensitivity of BSE-infected animals. The prion strains of inoculi preserved their different biochemical and neuropathological properties also after transmission. Finally, a more detailed ultrastructural analysis confirmed the distinction in patterns of PrPSc deposition and it showed different subcellular localization of prion protein between BSE and BASE infected bovine. By evaluation of biochemical, immunoistochemical and ultrastructural results, our study gave an improvement in the characterization of BASE prion strain, describing the clinical phenotype.

Trasmissione intraspecie di encefalopatia spongiforme bovina e di encefalopatia spongiforme amiloidotica bovina. Caratterizzazione molecolare e ultrastrutturale di un nuovo ceppo di prione nel bovino

FASOLI, Elisa
2008-01-01

Abstract

Le Encefalopatie Spongiformi Trasmissibili (TSE) o Malattie da Prioni, costituiscono un gruppo di malattie neurodegenerative fatali, ad eziologia sporadica, genetica o infettiva che colpiscono l’uomo e diverse specie animali. Il meccanismo patogenetico responsabile delle TSE consiste nella conversione conformazionale della normale proteina prionica cellulare (PrPC), con una struttura prevalentemente ad α-elica, in una forma aberrante, ricca in β-sheet, parzialmente insolubile in detergenti non ionici e resistente alla digestione con proteasi, denominata PrPSc, che rappresenta il marcatore diagnostico di queste malattie. Nei bovini, sono due le forme di TSE conosciute: l’encefalopatia spongiforme bovina (BSE) e l’encefalopatia spongiforme amiloidotica bovina (BASE). Della prima sono ampiamente note sia la manifestazione fenotipica sia la caratterizzazione biochimica del ceppo proteico grazie al fiorire di studi in seguito all’epidemia che a partire dal 1985 ha colpito molti allevamenti bovini della Gran Bretagna. Della seconda, invece, non esiste ancora una completa caratterizzazione a causa della sua recente identificazione. Infatti solo nei primi anni del 2000 sono state riconosciute due nuove forme atipiche di BSE, chiamate high type (BSE-H) and low type (BSE-L) in base alla differente migrazione elettroforetica dell’isoforma non glicosilata della PrPSc bovina. Anche la BASE è stata definita una forma atipica di BSE per le notevoli differenze molecolari e neuropatologiche presentate dalla proteina prionica. Infatti la PrPSc associata alla BASE è risultata paragonabile a quella della BSE-L, per il peso e il profilo di glicosilazione delle isoforme, e distinguibile dalla BSE per la presenza di depositi ricchi di amiloide, chiamati placche kuru, a livello cerebrale. E’ stata così suggerita l’ipotesi dell’esistenza di un ceppo di prione della BASE diverso rispetto a quello della BSE, ma uguale a quello della BSE-L. Anche recenti studi di trasmissione in topi PrP-bovinizzati hanno contribuito a confermare tali dati, dimostrando come la BASE sia una patologia più aggressiva e più facilmente trasmissibile della BSE. Mancando sia le conferme a queste preliminari sperimentazioni sia l’identificazione del fenotipo clinico-patologico associato alla BASE, abbiamo progettato uno studio di trasmissione intraspecie di ceppi di BSE e BASE in bovini di razza Frisona e Bruna Alpina. Utilizzando la stessa specie di quella che ha contratto in origine l’infezione, si sono raggiunti due obiettivi: ridurre il periodo di incubazione, evitando il fenomeno dell’adattamento e tutti i processi atti a superare la barriera di specie, e delineare il quadro fenotipico della BASE. Gli animali inoculati con BASE hanno manifestato un comportamento affine alla depressione diverso da quello più irrequieto degli animali infettati con BSE, associato ad una progressiva amiotrofia. Inoltre i bovini hanno presentato profili molecolari e neuropatologici affini alle caratteristiche del donatore, confermando la diversità dei due strains proteici. Lo studio si è avvalso anche di un’analisi ultrastrutturale, che, oltre a confermare la diversità del pattern di deposizione della PrPSc nelle due forme di TSE, ha rilevato significative differenze nella localizzazione subcellulare della proteina prionica. Questa sperimentazione ha permesso di valutare tutti gli aspetti clinici, biochimici, istologici, immunoistochimici e ultrastrutturali associati alla PrPSc ed ottenere quindi una completa caratterizzazione della BASE, confermando i dati già presenti in letteratura sulla diversità del ceppo proteico rispetto quello della BSE e riproducendo per la prima volta la manifestazione fenotipica.
encefalopatia spongiforme; encefalopatia spongiforme amiloidotica
Transmissible Spongiform Encephalopathies (TSE) or Prion diseases are a group of rare, fatal and transmissible neurodegenerative disorders that affect both humans and animals. Clinically these diseases exist in sporadic, genetic and acquired forms, and present with a variety of neurological signs. TSE diseases are characterized by accumulation, primarily in the brain, of an abnormal isoform of the normal host-encoded prion protein (PrPC), named PrPSc that is considered the disease-associated agent. The central event of the TSE is a post-translational conformational change of the PrPC, a plasma membrane glycoprotein, rich in α-helix, into the PrPSc that has a higher β-sheet content. In bovine there are two forms of TSE: Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) and Bovine Amyloidotic Spongiform Encephalopathy (BASE). After the epidemy in cattle in UK in 1985, many researches characterized the phenotype and the biochemistry of PrPSc in BSE. Recently new atypical forms of BSE are discovered and called BSE-H (higher) and BSE-L (lower) for the different molecular mass of unglycosilated isoform of PrPSc. Also BASE is classified as atypical BSE with a prion protein similar to BSE-L and it is distinguishable from BSE for differences in pattern of deposition, consistent in the presence of amyloid plaques, in distinct molecular masses and in glycosilation profile of prion isoforms. These observations suggest that cattle may have two distinct prion strains, refered to two forms of TSE and that prion protein of BASE could be the same of BSE-L. Also recent studies on PrP-bovinized transgenic mice have showed that BASE is a more aggressive disease than BSE, characterized by shorter period of incubation. To investigate the characteristics of prion strains responsible of BSE and BASE, we carried out transmission by inoculation of BSE and BASE isolates in Fresian and Alpine brown cattle. Intraspecies transmission permitted firstly to reduce the period of incubation, overcoming the species barrier, and secondly to identify the phenotype of BASE. BASE inoculated cattle showed a progressive muscle atrophy and a dull behaviour, in contrast with aggressiveness and hypersensitivity of BSE-infected animals. The prion strains of inoculi preserved their different biochemical and neuropathological properties also after transmission. Finally, a more detailed ultrastructural analysis confirmed the distinction in patterns of PrPSc deposition and it showed different subcellular localization of prion protein between BSE and BASE infected bovine. By evaluation of biochemical, immunoistochemical and ultrastructural results, our study gave an improvement in the characterization of BASE prion strain, describing the clinical phenotype.
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