Abstract:

Versione in italiano:

Le malattie mitocondriali primarie (PMDs) sono patologie genetiche causate da mutazioni nel DNA nucleare o mitocondriale (mtDNA), che portano a un malfunzionamento della catena respiratoria. Sebbene ciascuna PMD sia rara, nel loro insieme rappresentano le malattie neurologiche ereditarie più comuni e sono associate a grave disabilità e ridotta aspettativa di vita. Ad oggi, non esistono ancora terapie soddisfacenti per queste condizioni, sia a causa della loro elevata eterogeneità genetica e clinica, che limita lo sviluppo di strategie terapeutiche efficaci, sia per l’insufficiente conoscenza delle loro basi patogenetiche.

La terapia genica basata su vettori virali adeno-associati (AAV) è una delle strategie più promettenti per le malattie genetiche. Gli AAV non sono patogeni per l'uomo, rimangono episomici a lungo termine e hanno diversi sierotipi con specificità tissutali differenti. Gli approcci basati sugli AAV includono:

Terapie di sostituzione genica, in cui il gene wild-type (WT) viene ri-espresso in uno o più tessuti.
L’espressione di microRNA capaci di controllare simultaneamente diverse vie coinvolte nella patogenesi e progressione della malattia.
Il primo approccio è specifico per una singola entità clinica, mentre il secondo rappresenta una strategia indipendente dal gene o dalla mutazione, agendo su vie comuni che sottendono al danno mitocondriale. Entrambe le strategie possono essere valide alternative e/o complementari.

I laboratori partecipanti hanno proposto e testato con successo queste strategie terapeutiche nei topi Ndufs4KO, un modello di malattia di Leigh, una forma comune di encefalomiopatia mitocondriale. In particolare, il laboratorio di Viscomi ha recentemente testato sierotipi di AAV9 auto-complementari nei topi Ndufs4KO, dimostrando che sono efficaci nel correggere la carenza del complesso I e nel prolungare la durata di vita. Parallelamente, il laboratorio di Indrieri ha identificato i microRNA miR-181a e b come modulatori del turnover mitocondriale, dimostrando che la loro inattivazione migliora il fenotipo della malattia in diversi modelli di PMDs, inclusi i topi Ndufs4KO.

In questo progetto, proponiamo di espandere le osservazioni inizialmente fatte dai proponenti sulla terapia di sostituzione genica basata su AAV e sugli approcci basati sui microRNA, sfruttando modelli murini consolidati e nuovi di PMDs, tra cui:

Un modello murino con delezione specifica nel muscolo di COX15;
Un nuovo modello murino knockout per Surf1, il principale gene mutato nella malattia di Leigh;
Un modello murino eteroplasmico recentemente sviluppato, con una delezione nel gene mitocondriale ATP6, che rappresenta un modello della sindrome neuropatia, atassia e retinite pigmentosa (NARP).
Inoltre, poiché la terapia genica basata su AAV comporta uno sviluppo lungo e altamente costoso, entrambi i laboratori partecipanti propongono di effettuare screening ad alto contenuto di composti approvati dalla FDA per identificare piccole molecole capaci di:

Modificare l’eteroplasmia del mtDNA;
Aumentare il turnover mitocondriale.
I risultati generati da questo progetto potrebbero fornire prodotti terapeutici facilmente trasferibili in clinica, ampliando così le opportunità terapeutiche per le PMDs.

English version:

Primary mitochondrial diseases (PMDs) are genetic disorders caused by mutations in nuclear or mitochondrial DNA (mtDNA), causing the impairment of the respiratory chain. Although each PMD is rare, altogether they represent the most common inherited neurological diseases and are associated with severe disability and shortened lifespan. To date there are still no satisfactory therapies available for these conditions either due to their high genetic and clinical heterogeneities, which limits the development of effective therapeutic strategies, or to the insufficient knowledge of their pathogenic basis. Adeno-associated viral vectors (AAVs)-based gene therapy is one of the most promising approaches for genetic diseases. AAVs are not pathogenic in humans, remain episomic for a long time and have various serotypes with different specificities for the various tissues. AAV-based approaches include gene replacement therapies, in which the WT gene is re-expressed in one or multiple tissues or the expression of microRNAs able to simultaneously control different pathways involved in disease pathogenesis and progression. The former approach is tailored to a single clinical entity, whilst the latter is a gene/mutation-independent strategy, acting on common pathways that underly mitochondrial damage. Both strategies may be valid alternatives and/or complementary. The participating laboratories have proposed and successfully tested these therapeutic strategies in Ndufs4KO mice, a model of Leigh disease, a common form of mitochondrial encephalomyopathy. In particular Viscomi’s lab has recently tested self-complementary AAV9 serotypes in Ndufs4KO mice demonstrating that they are effective in correcting complex I deficiency and in prolonging the lifespan. In parallel, Indrieri’s lab identified miR-181a and b as modulators of mitochondrial turnover and demonstrated that their inactivation ameliorates the disease phenotype of different models of PMDs, including the Ndufs4KO mice.
In this project we propose to expand the observations originally made by the applicants on AAV-based gene replacement therapy and miRNA-based approaches taking advantage of well-established and new mouse models of PMDs including: a muscle-specific COX15KO mouse, a newly developed KO mouse for Surf1, the main gene mutated in Leigh disease, and a recently developed heteroplasmic mouse carrying a deletion in the mitochondrial gene ATP6, model of for neuropathy, ataxia, and retinitis pigmentosa syndrome. Moreover, since AAV-based gene therapy entails time-consuming and highly expensive development, both participating laboratories also propose to carry out high-content screenings of FDA-approved compounds to identify small molecules able to either shift mtDNA heteroplasmy or increase mitochondrial turnover. The results generated by this project may provide therapeutic products that could be easily translated into the clinics thus expanding the therapeutic opportunities for PMDs.

Contatti: carlo.viscomi@unipd.it