Nell’uomo lo sviluppo della flessibilità cognitiva, o shifting, cioè la capacità di pensare e agire in maniera elastica adattandosi a situazioni mutevoli, ha inizio già con la prima infanzia ed è associato alla maturazione della corteccia prefrontale dorsolaterale, la stessa area del cervello deputata ad altre abilità cognitive definite “funzioni esecutive”, come ad esempio la pianificazione, l’astrazione e la memoria a breve termine. Come le altre capacità mentali, anche la flessibilità cognitiva, opposta alla rigidità cognitiva, può essere migliorata e allenata ma rimane fortemente dipendente, oltre che dall’età, dal sesso e dalla formazione culturale, dai fattori genetici.

Uno studio pubblicato su Nature ha evidenziato nei topi una mutazione genetica in grado di implementare la flessibilità cognitiva. Per dimostrarlo, Jia-Hua Hu e altri ricercatori del National Institute of Child Health and Human Development (NICHD) hanno creato una generazione di topi geneticamente modificati, caratterizzati da una mutazione di tipo “knock-in”, che cioè prevede una sostituzione all’interno del gene, e non un silenziamento, come avviene invece nelle mutazioni “knock-out”. Si tratta di una sostituzione che interessa il motivo pThr⁶⁰⁷-Pro presente nella proteina Kv4.2, al posto del quale è stata inserita un’alanina (Ala) attraverso le tecniche CRISPR-Cas9.

La proteina Kv4.2 è fondamentale per il corretto funzionamento dell’attività cerebrale, poiché costituisce una subunità all’interno del canale potassio (K⁺) di tipo A e, andandosi a legare alla subunità ausiliaria DPP6 (dipeptidil peptidasi 6) forma un complesso che modula l’eccitabilità neuronale e, in ultima analisi, determina una maggiore o minore flessibilità cognitiva. In particolare, Kv4.2 e DPP6 interagiscono in maniera dinamica e si possono associare o dissociare in base alla presenza di un legame tra la proteina Kv4.2 e Pin1: quest’ultimo, più precisamente denominato peptidil-prolil cis-trans isomerasi NIMA-interagente 1, è un enzima che isomerizza esclusivamente i motivi fosfo-serina/treonina-prolina, come appunto pThr⁶⁰⁷-Pro, ma non funziona se il motivo contiene una sostituzione di un amminoacido. Pertanto, inducendo una mutazione all’interno della sequenza amminoacidica di Kv4.2, la sua fosforilazione viene impedita ed essa non riesce più a dissociarsi da DPP6.

In condizioni normali, succede che i nuovi stimoli ambientali innescano la fosforilazione di Kv4.2 sul suo residuo T607: tale fosforilazione permette a Pin1 di legarsi al residuo stesso appena fosforilato e di compiere l’isomerizzazione del legame pT607-P; quest’ultima modifica la conformazione di Kv4.2, che a sua volta si dissocerà da DPP6 e aumenterà l’eccitabilità neuronale e la rigidità cognitiva. Al contrario, nei neuroni piramidali dell’ippocampo dei topi mutanti, Pin1 e Kv4.2 non sono più in grado di associarsi (perché Kv4.2, presentando la sostituzione, non è più fosforilabile nel suo residuo) e di conseguenza il complesso Kv4.2-DPP6 è molto stabile e la corrente del canale K⁺ di tipo A aumenta, provocando la diminuzione dell’eccitabilità neuronale e l’aumento della flessibilità cognitiva.

Le analisi sperimentali sulle due linee di topi hanno mostrato notevoli differenze nella capacità di svolgimento dei compiti cognitivi, che si è rivelata migliore nei topi mutati (Kv4.2TA) rispetto ai topi wild type (WT) Per esempio, attraverso l’utilizzo del labirinto acquatico di Morris, un test per valutare la memoria spaziale dipendente dalla funzionalità dell’ippocampo, è stato possibile valutare la diversa capacità di apprendimento dei topi dei due gruppi. Durante le sessioni di “allenamento”, i topi WT e quelli Kv4.2T hanno mostrato abilità simili nell’individuare una piattaforma sommersa verso la quale dovevano nuotare; tuttavia nell’esperimento successivo, nel quale la piattaforma nascosta era stata spostata sul lato opposto del labirinto, i topi Kv4.2T sono riusciti ad apprendere la nuova posizione della piattaforma in un tempo significativamente inferiore rispetto ai WT, adottando un comportamento inverso a quello che avevano appreso in precedenza. Da ciò si deduce che la presenza di una mutazione che ha impedito la fosforilazione del residuo pThr⁶⁰⁷-Pro sulla proteina Kv4.2 non ha influito tanto sulla memoria spaziale in sé, quanto sulla flessibilità cognitiva che ha determinato la risposta comportamentale dei topi al cambiamento delle coordinate sperimentali.

Questi risultati rivelano l’esistenza di un meccanismo mediato da Pin1 che regola la capacità di shifting e, secondo gli autori della ricerca, aprono possibili scenari per il trattamento di disturbi neuropsichiatrici caratterizzati da inflessibilità cognitiva e per una maggiore comprensione di alcune patologie come l’epilessia, la schizofrenia, la sindrome dell’X fragile e il disturbo dello spettro autistico, che sono stati tutti associati ad un’alterata attività di Kv4.2.


RIFERIMENTI:
Hu, J. H., Malloy, C., Tabor, G. T., Gutzmann, J. J., Liu, Y., Abebe, D., … & Hoffman, D. A. (2020). Activity-dependent isomerization of Kv4. 2 by Pin1 regulates cognitive flexibility. Nature communications, 11(1), 1-18.