Abstract:

Versione in italiano:

L'atrofia muscolare spinale e bulbare (SBMA) è una malattia dei motoneuroni ad esordio adulto caratterizzata dalla perdita dei motoneuroni del corno anteriore inferiore del midollo spinale. La SBMA è causata da una espansione della ripetizione CAG nell'esone 1 del gene del recettore degli androgeni (AR). La proteina mutante codificata contiene un tratto poliglutaminico (polyQ) allungato nel dominio N-terminale dell'AR (ARpolyQ). L'AR è un fattore di trascrizione attivato dal legame con gli androgeni, un passo necessario per la tossicità. Poiché i maschi hanno livelli di androgeni circolanti molto più alti rispetto alle femmine, solo i maschi sono colpiti dalla SBMA, mentre le femmine presentano sintomi molto lievi o assenti. Questo squilibrio sessuale è ben replicato in tutti i modelli animali della malattia sviluppati finora. Il meccanismo con cui gli androgeni innescano la malattia è ancora ampiamente dibattuto, e le terapie per ridurre i livelli di androgeni hanno un'efficacia limitata e sono associate a numerosi effetti collaterali indesiderati.

Il nostro obiettivo è chiarire come gli androgeni causano disfunzione e perdita dei motoneuroni con l'intento di utilizzare queste informazioni per lo sviluppo di terapie. Qui, testeremo l'ipotesi centrale che l'attivazione anomala di ARpolyQ durante il picco perinatale degli androgeni causi effetti neurotossici sottili ma irreversibili che diventano evidenti nell'età adulta. Questa ipotesi si basa sui nostri dati preliminari, che mostrano che l'espressione di ARpolyQ durante lo sviluppo e nel periodo perinatale è necessaria per la piena manifestazione della malattia nei topi. Inoltre, l'attivazione di ARpolyQ da parte degli androgeni provoca cambiamenti nell'espressione genica durante il processo di differenziazione neuronale nelle cellule derivate da motoneuroni differenziati da pazienti.

In questo studio adotteremo un approccio multidisciplinare che va dalla biologia molecolare e cellulare alla biochimica e al sequenziamento RNA a singola cellula combinato i) con l'uso di modelli murini per esprimere condizionatamente AR mutante e analizzare in vivo la funzione di AR, nonché ii) con motoneuroni derivati da iPSC di pazienti con SBMA per valutare l'impatto dell'espressione e attivazione di ARpolyQ durante le fasi critiche della formazione e maturazione dei motoneuroni.

Ci aspettiamo che, anche se la SBMA è una malattia ad esordio adulto, gli eventi dannosi scatenati dall'ARpolyQ attivato dagli androgeni si verifichino nel periodo perinatale, fornendo informazioni su come affrontare le disfunzioni dei motoneuroni in età adulta, e possibilmente spostando la finestra per l'intervento terapeutico alle fasi più precoci della vita.

Questo progetto contribuirà anche a chiarire qual è la funzione dell'AR wild type nei motoneuroni e come il picco di androgeni nel periodo perinatale induca il programma di espressione genica fine-tuned scatenato nella delicata transizione dalla gestazione alla vita subito dopo la nascita.

Prevediamo anche che questi risultati siano rilevanti per capire se anomalie dello sviluppo simili possano verificarsi in altre malattie correlate dei motoneuroni, così come in malattie neurodegenerative che, come la SBMA, sono dovute al tratto poliglutaminico allungato in proteine mutanti neurotossiche.

English version:

Spinal and bulbar muscular atrophy (SBMA) is an adult-onset motoneuron disease characterized by the loss of the lower anterior horn spinal cord motoneurons. SBMA is caused by a CAG repeat expansion in the exon 1 of the androgen receptor (AR) gene. The encoded mutant protein contains an elongated polyQ tract (polyQ) in the N-terminal domain of the AR (ARpolyQ). AR is a transcription factor activated upon binding to androgens, a necessary step to toxicity. Since males have much high levels of circulating androgens than females, only males are affected in SBMA, whereas females show very mild or no symptoms. This sex-bias is well recapitulated in all animal models of disease developed so far. The mechanism through which androgens trigger disease is still largely debated, and therapies to diminish androgen levels have limited efficacy and are associated with numerous undesired side effects.
Our objective is to elucidate how androgens cause motoneuron dysfunction and loss with the aim to potentially use this information for therapy development. Here, we will test the central hypothesis that the aberrant activation of ARpolyQ during the perinatal peak of androgens causes subtle, yet irreversible neurotoxic effects that become overt in adulthood. This hypothesis is based on our preliminary data, showing that ARpolyQ expression during development and in the perinatal period is necessary for full disease manifestations in mice. Moreover, ARpolyQ activation by androgens elicits gene expression changes during the neuronal differentiation process in patient-derived differentiated motor neuronal cells.
Here, we will take a multidisciplinary approach spanning from molecular and cellular biology to biochemistry and single-cell RNA sequencing combined i) with the use of mouse models to conditionally express mutant AR and analyze in vivo AR function as well as ii) with motoneurons derived from iPSCs of SBMA patients to evaluate the impact of ARpolyQ expression and activation during the critical phases of motoneuron patterning and maturation.
We expect that, even if SBMA is an adult-onset disease, detrimental events triggered by the androgen activated ARpolyQ occur in the perinatal period, providing information on how to tackle motoneuron dysfunctions in adulthood, and possibly shifting the window for therapeutic intervention to earlier stages of life.
This project will also contribute to elucidate what is the function of wild type AR in motoneurons and how the androgen peak in the perinatal period induces the fine-tuned gene expression program triggered in the delicate transition from gestation to life just after birth.
We also predict that these findings will be relevant to understand whether similar developmental abnormalities possibly occurring in other related motoneuron diseases as well as in neurodegenerative diseases that, like SBMA, are due to the elongated polyQ tract in neurotoxic mutant proteins.

Contatti: maria.pennuto@unipd.it