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Stress granules in Polyglutamine diseases: new targets for therapeutic intervention?
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Authors
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Abstract(s)
Polyglutamine (PolyQ) diseases are a group of hereditary and incurable neurodegenerative pathologies, caused by abnormal expansion of CAG trinucleotide repeats in the disease-causing genes. In these disorders, the formation of toxic aggregated species from the expanded protein leads to dysfunction of several biological systems, ultimately resulting in neuronal degeneration and death widespread across different brain regions. Dysfunction of cellular pathways also correlates with stress responses, such as the formation of stress granules (SGs). Recently, multiple evidence suggested that SGs and its components play a role in the pathogenesis of PolyQ diseases. Therefore, the general goal of this project was to clarify the SGs role in the context of PolyQ diseases pathogenesis, trying to identify new pathways and targets for a therapeutic intervention, using spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) and type 2 (SCA2) as PolyQ disease models. We found that several SGs components have their gene expression levels altered in these two diseases, including regulated heat stable protein 1 (CARHSP1) and Pumilio homolog 1 (PUM1), which have their levels upregulated in SCA3 and SCA2 diseases. We found that the downregulation of CARHSP1 resulted in reduced mutant protein aggregation in SCA3 cellular and mouse models, as well as amelioration of motor and neuropathological abnormalities. On the other hand, knockdown of PUM1 levels led to increased aggregation of polyQ-expanded protein, as well as worsening of motor deficits in mouse models of SCA3 disease. We further assessed the downregulation of CARHP1 in a novel striatal lentiviral mouse of SCA2, although no alterations in neuropathological features were observed. Overall, our study contributes to the putative involvement of SGs in PolyQ disease and showed that the modulation of CARHSP1 SGs component could be potential therapeutic approach for SCA3 disease. Future studies are needed to fully understand SGs and its components importance in the context of PolyQ and other neurodegenerative diseases.
As doenças de poliglutaminas são um grupo de nove doenças neurodegenerativas causadas pelo mesmo tipo de mutação genética. Estas patologias resultam de uma repetição aberrante do códão CAG na região codificante dos genes responsáveis por cada uma destas doenças. Esta mutação genética traduz-se numa expansão tóxica de glutaminas nas respetivas proteínas traduzidas, que sofrem alterações conformacionais levando à formação de agregados proteicos em diversas populações de neurónios. Apesar de serem causadas por genes e proteínas diferentes, as doenças de poliglutaminas partilham vários mecanismos de patogénese, que incluem a desregulação de diversos sistemas celulares essenciais à sobrevivência celular. Para além disto, a expressão de proteínas com expansões de poliglutaminas conduz a aumento dos níveis de stress celular, induzindo a formação de grânulos de stress. Diversos estudos sugeriram que os grânulos de stress podem desempenhar um papel relevante na patogénese das doenças de poliglutaminas e de outras doenças neurodegenerativas. Assim, o objetivo global deste trabalho foi estudar o papel dos grânulos de stress e dos seus componentes nestas doenças, de forma a tentar identificar novas vias celulares envolvidas nestas patologias e novos alvos com um potencial terapêutico, utilizando a ataxia espinocerebelosa do tipo 3 (SCA3, do inglês spinocerebellar ataxia type 3) e do tipo 2 (SCA2, do inglês spinocerebellar ataxia type 2), como modelos das doenças de poliglutaminas. Estas duas doenças resultam da expansão anormal de poliglutaminas nas proteínas ataxina-3 e ataxina-2, respetivamente. Neste trabalho, começámos por analisar quais os componentes dos grânulos de stress que estavam diferencialmente expressos, utilizando a análise de dados de transcriptómica, de modelos de murganho de cada uma das doenças modelo. Estes resultados demonstraram que as proteínas, CARHSP1 (do inglês calcium regulated heat stable protein 1) e PUM1 (do inglês Pumilio homolog 1) tinham os seus níveis aumentados, comparados com animais saudáveis. De seguida, decidimos avaliar se a diminuição dos níveis destas proteínas através da ferramenta de edição génica CRISPR-Cas (do inglês clustered regularly short palindromic repeats-CRISPR associated nucleases) poderia ter um impacto em diversas caraterísticas da SCA3. Os resultados obtidos demonstraram que a diminuição de CARHSP1 levou a uma redução da agregação da proteína ataxina-3 expandida em modelos celulares e animais desta doença. Para além disto, observou-se a melhoria do fenótipo motor e das características neuropatológicas em murganhos de SCA3. Por outro lado, a diminuição dos níveis de PUM1 resultou no aumento dos níveis de agregação da proteína mutante e no agravamento da função motora na doença de SCA3. Assim, estes resultados demonstraram que a diminuição dos níveis de CARHSP1 teve um efeito benéfico nos modelos de doença de SCA3. De forma a podermos testar o efeito do componente dos SGs, CARHSP1, na doença SCA2, procedemos ao desenvolvimento de um novo modelo de murganho desta doença com patologia no estriado. Para isto, recorremos ao uso de vetores lentivirais para expressar a construção com o gene mutante de SCA2. A caraterização deste modelo revelou a expressão da proteína mutante resulta na formação de agregados dentro dos neurónios do estriado, levando à depleção de marcadores neuronais, à morte neuronal e à indução de inflamação no estriado. O modelo lentiviral de murganho de SCA2 criado revelou-se como uma ferramenta útil para estudar novos mecanismos de doenças e testar novos potencias alvos terapêuticos. De seguida, fomos então avaliar se a diminuição dos níveis de CARHSP1 poderia ter o mesmo papel benéfico na doença SCA2. Após a modulação dos níveis de CARHSP1, não observámos alterações significativas na neuropatologia dos animais com SCA2. Em conclusão, este trabalho identificou a proteína CARHSP1, componente dos SGs, como um potencial alvo terapêutico para o tratamento da doença de PolyQ SCA3. Por outro lado, este alvo não resultou em melhorias no modelo de doença de SCA2. Assim, estudos futuros em outras doenças de PolyQ devem ser feitos para validar o CARHSP1 como alvo terapêutico para estas doenças.
As doenças de poliglutaminas são um grupo de nove doenças neurodegenerativas causadas pelo mesmo tipo de mutação genética. Estas patologias resultam de uma repetição aberrante do códão CAG na região codificante dos genes responsáveis por cada uma destas doenças. Esta mutação genética traduz-se numa expansão tóxica de glutaminas nas respetivas proteínas traduzidas, que sofrem alterações conformacionais levando à formação de agregados proteicos em diversas populações de neurónios. Apesar de serem causadas por genes e proteínas diferentes, as doenças de poliglutaminas partilham vários mecanismos de patogénese, que incluem a desregulação de diversos sistemas celulares essenciais à sobrevivência celular. Para além disto, a expressão de proteínas com expansões de poliglutaminas conduz a aumento dos níveis de stress celular, induzindo a formação de grânulos de stress. Diversos estudos sugeriram que os grânulos de stress podem desempenhar um papel relevante na patogénese das doenças de poliglutaminas e de outras doenças neurodegenerativas. Assim, o objetivo global deste trabalho foi estudar o papel dos grânulos de stress e dos seus componentes nestas doenças, de forma a tentar identificar novas vias celulares envolvidas nestas patologias e novos alvos com um potencial terapêutico, utilizando a ataxia espinocerebelosa do tipo 3 (SCA3, do inglês spinocerebellar ataxia type 3) e do tipo 2 (SCA2, do inglês spinocerebellar ataxia type 2), como modelos das doenças de poliglutaminas. Estas duas doenças resultam da expansão anormal de poliglutaminas nas proteínas ataxina-3 e ataxina-2, respetivamente. Neste trabalho, começámos por analisar quais os componentes dos grânulos de stress que estavam diferencialmente expressos, utilizando a análise de dados de transcriptómica, de modelos de murganho de cada uma das doenças modelo. Estes resultados demonstraram que as proteínas, CARHSP1 (do inglês calcium regulated heat stable protein 1) e PUM1 (do inglês Pumilio homolog 1) tinham os seus níveis aumentados, comparados com animais saudáveis. De seguida, decidimos avaliar se a diminuição dos níveis destas proteínas através da ferramenta de edição génica CRISPR-Cas (do inglês clustered regularly short palindromic repeats-CRISPR associated nucleases) poderia ter um impacto em diversas caraterísticas da SCA3. Os resultados obtidos demonstraram que a diminuição de CARHSP1 levou a uma redução da agregação da proteína ataxina-3 expandida em modelos celulares e animais desta doença. Para além disto, observou-se a melhoria do fenótipo motor e das características neuropatológicas em murganhos de SCA3. Por outro lado, a diminuição dos níveis de PUM1 resultou no aumento dos níveis de agregação da proteína mutante e no agravamento da função motora na doença de SCA3. Assim, estes resultados demonstraram que a diminuição dos níveis de CARHSP1 teve um efeito benéfico nos modelos de doença de SCA3. De forma a podermos testar o efeito do componente dos SGs, CARHSP1, na doença SCA2, procedemos ao desenvolvimento de um novo modelo de murganho desta doença com patologia no estriado. Para isto, recorremos ao uso de vetores lentivirais para expressar a construção com o gene mutante de SCA2. A caraterização deste modelo revelou a expressão da proteína mutante resulta na formação de agregados dentro dos neurónios do estriado, levando à depleção de marcadores neuronais, à morte neuronal e à indução de inflamação no estriado. O modelo lentiviral de murganho de SCA2 criado revelou-se como uma ferramenta útil para estudar novos mecanismos de doenças e testar novos potencias alvos terapêuticos. De seguida, fomos então avaliar se a diminuição dos níveis de CARHSP1 poderia ter o mesmo papel benéfico na doença SCA2. Após a modulação dos níveis de CARHSP1, não observámos alterações significativas na neuropatologia dos animais com SCA2. Em conclusão, este trabalho identificou a proteína CARHSP1, componente dos SGs, como um potencial alvo terapêutico para o tratamento da doença de PolyQ SCA3. Por outro lado, este alvo não resultou em melhorias no modelo de doença de SCA2. Assim, estudos futuros em outras doenças de PolyQ devem ser feitos para validar o CARHSP1 como alvo terapêutico para estas doenças.
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Keywords
Doenças de poliglutaminas Ataxia espinocerebelosa do tipo 3 Ataxia espinocerebelosa do tipo 2 Grânulos de stress Componentes dos grânulos de stress Modelos de ratinho de doenças