Dipartimento di Biologia e
Biotecnologie Charles Darwin

The superfamily of the serin protease inhibitors (serpins) includes an ample group of proteins characterised by a high degree of homology and a unique mechanism of inhibition, where the serin protease is attracted by a target site in the serpin’s reactive centre loop. Upon cleavage, the protease remains covalently linked to the serpin, which undergoes a strong conformational transition where the reactive centre loop inserts into the main beta sheet of the serpin. This releases energy that is used to destroy the conformation of the active site of the protease, which is irreversibly inhibited. This mechanism requires a high flexibility from the serpins, which are very sensitive to point mutations that increase their natural instability, leading to misfolding and polymerisation. Polymers of secretory serpins remain stack in the endoplasmic reticulum (ER) of the cell of synthesis, causing ER stress and eventually cell death. This is the molecular basis for several human diseases known collectively as the serpinopathies, which are characterised by the presence of inclusion bodies made of polymers and a double disease phenotype: problems caused by the lack of active serpin in the place of action (loss of function), and problems caused by the accumulation of polymers in the place of synthesis (toxic gain of function). Two serpinopathies are better known, alpha-1 antitrypsin deficiency and the dementia FENIB (familial encephalopathy with neuroserpin inclusion bodies). The second one is due to point mutations in neuroserpin, which is mainly expressed by neurons. Our work has demonstrated that four of the mutations that cause FENIB lead to neuroserpin polymerisation and retention in the ER (figure), in a degree that correlates directly with the severity of the disease caused by each mutation, and that these polymers are toxic per se in a Drosophila model of FENIB

La superfamiglia degli inibitori di proteasi a serina (serpine) include un gran numero di membri caratterizzati per un’alta omologia strutturale e un meccanismo unico d’inibizione, dove la proteasi a serina taglia un legame peptidico della serpina scatenando un forte cambiamento conformazionale, che finisce col distruggere irreversibilmente la serpina e il centro attivo della proteasi. Questo meccanismo ha bisogno di grande flessibilità strutturale da parte delle serpine, che in conseguenza sono molto sensibili a delle mutazioni che incrementando questa instabilità e portano alla polimerizzazione della serpina mutante. I polimeri di serpine destinate al medio extracellulare s’accumulano al interno del reticolo endoplasmatico (RE), dove causano stress del RE ed eventualmente morte cellualre. Questa è la base molecolare per una serie di malattie umane, le serpinopatie, caratterizzate dalla formazione di corpi d’inclusione contenenti i polimeri di serpine, e di un doppio fenotipo  patologico: problemi legati alla mancanza della serpina attiva nel suo sito di azione (loss of function) e problemi causati dall’accumulo di polimeri nel tessuto di sintesi della serpina mutante (toxic gain of function). Le due serpinopatie più studiate sono la deficienza di alfa-1 antitripsina e la demenza FENIB (familial encephalopathy with neuroserpin inclusion bodies). La seconda è causata da mutazioni nella neuroserpina, che viene secreta soprattutto dai neuroni. Al giorno d’oggi sono note sei mutazioni della neuroserpina causanti la demenzia FENIB. I nostri studi hanno dimostrato che quattro di queste mutazioni causano polimerizzazione e ritenzione al interno del RE (figura) in relazione diretta con la gravità della malattia associata a ogni
mutazione, e che questi polimeri sono tossici per se in un modello animale di FENIB (Drosophila transgenica).