Abstract:

Versione in italiano:

Gli organelli cellulari coordinano le loro attività formando piattaforme specializzate in cui le loro membrane sono strettamente accostate, i cosiddetti siti di contatto di membrana (MCSs, membrane contact sites). I principali processi cellulari avvengono o sono regolati presso i MCSs, e alterazioni precoci nella loro struttura e/o funzionalità sono state descritte in diversi disturbi, comprese numerose malattie neurodegenerative (NDs), suggerendo l’affascinante possibilità che queste alterazioni possano essere alla base dell’insorgenza e della progressione di tali malattie. L’Alzheimer (AD), la sclerosi laterale amiotrofica (ALS) e la demenza frontotemporale (FTD) sono malattie neurodegenerative incurabili che colpiscono milioni di individui in tutto il mondo, rappresentando così importanti sfide sanitarie ed economiche. Fino ad oggi, la maggior parte dei trial clinici non è riuscita a bloccare la progressione di queste malattie, probabilmente a causa di una diagnosi tardiva/reclutamento dei pazienti e/o dell’esistenza di meccanismi patogenetici ancora poco caratterizzati.

Nonostante il crescente interesse per i MCSs, tuttavia, le limitazioni delle tecniche attualmente disponibili per studiarne le dinamiche hanno ostacolato la comprensione del loro contributo preciso al processo neurodegenerativo che caratterizza queste patologie.

Per superare tali limitazioni e approfondire il ruolo svolto dalle alterazioni dei MCSs nell’AD e nell’ALS/FTD, abbiamo progettato un progetto che combina l’expertise di tre diverse unità, con l’obiettivo di generare e implementare, in diversi modelli di AD e ALS/FTD, reporter innovativi per studiare in tempo reale le dinamiche dei MCSs. Nello specifico, utilizzeremo la tecnologia splitFAST recentemente introdotta per progettare sonde chemogenetiche completamente reversibili e basate sull’auto-complementazione, al fine di investigare la morfologia e la funzione dei siti di contatto formati tra diversi organelli (ad esempio, reticolo endoplasmatico, mitocondri, lisosomi, autofagosomi, gocce lipidiche, corpi multivescicolari, membrana plasmatica) con una risoluzione spazio-temporale senza precedenti.

Prevediamo che la generazione di queste sonde all’avanguardia consentirà di esplorare nuove ipotesi di ricerca, come l’esistenza di MCSs tri-organellari che mostrano alterazioni nei modelli di malattia, oltre a rispondere a domande che spaziano dai meccanismi fondamentali alle cause della malattia, avanzando significativamente la nostra conoscenza in questo campo. Nello specifico, riteniamo che l’implementazione di questi reporter nei modelli di AD e ALS/FTD permetterà non solo una solida validazione delle alterazioni dei MCSs già segnalate, ma anche l’identificazione di nuove. Raggiungendo questo obiettivo, ci aspettiamo di ottenere informazioni sui meccanismi molecolari alla base dell’insorgenza/progressione di AD e ALS/FTD, con un forte impatto sulla definizione di vie targetabili e sul design di nuove strategie farmacologiche.

English version:

Cellular organelles coordinate their activities by forming specialized platforms whereby their membranes are closely juxtaposed, the so-called membrane contact sites, MCSs. Key cell pathways take place or are regulated at MCSs and early perturbations in their structure and/or functionality have been described in different disorders, including several neurodegenerative diseases (NDs), suggesting the intriguing possibility that they might underlie their onset and progression. Alzheimer’s disease (AD), amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) are incurable NDs affecting million individuals worldwide, thus representing major health and economic challenges. To date most clinical trials were unsuccessful in blocking the progression of these diseases, likely because of a late diagnosis/patient recruitment and/or the existence of still poorly characterized pathogenic mechanisms. Despite the increasing interest in MCSs, however, the limitations of current techniques to study their dynamics have hampered the definition of their precise contribution to the neurodegenerative process characterizing these pathologies.
To overcome these limitations and gain further insights on the role played by MCS alterations in AD and ALS/FTD, we designed a project which combines the expertise of three different Units, aiming at generating and implementing in different AD and ALS/FTD models innovative reporters to study MCS dynamics in real-time. Specifically, we will tailor the recently introduced splitFAST technology to design fully reversible, self-complementation-based chemogenetic probes, to investigate the morphology and function of contact sites formed between multiple organelles (e.g., endoplasmic reticulum, mitochondria, lysosomes, autophagosomes, lipid droplets, multivesicular bodies, plasma membrane) with an unprecedented spatiotemporal resolution. We envisage the generation of these cutting-edge probes will enable to explore new research hypothesis, such as the existence of tri-organellar MCSs displaying perturbations in disease models, as well as to address questions ranging from fundamental mechanisms to the causes of disease, significantly advancing our knowledge in this field. Specifically, we believe the implementation of these reporters in AD and ALS/FTD models will not only allow a strong validation of already reported MCS perturbations, but also lead to the identification of new ones. By accomplishing this aim, we expect to gain information on the molecular mechanisms underlying the onset/progression of AD and ALS/FTD, with a strong impact in the definition of targetable pathways and the design of novel pharmacological interventions.

Contatti: paola.pizzo@unipd.it