Diverse mutazioni della SLA convergono verso un percorso comune / Diverse ALS Mutations Converge on Common Pathway

Diverse mutazioni della SLA convergono verso un percorso comune / Diverse ALS Mutations Converge on Common Pathway

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università di Tohoku e dell'Università di Keio in Giappone ha rivelato che diverse cause genetiche della sclerosi laterale amiotrofica (SLA) convergono verso un meccanismo comune che coinvolge la soppressione di un singolo gene, UNC13A. I risultati, pubblicati su The EMBO Journal, hanno suggerito nuovi approcci per lo sviluppo di terapie più efficaci per la SLA.

"Gli scienziati non comprendono ancora appieno il processo alla base della perdita di motoneuroni nella SLA", ha affermato il primo autore Yasuaki Watanabe, PhD, professore associato di neurologia presso l'Università di Tohoku. "La SLA è nota per la sua eterogeneità genetica, il che significa che esistono numerose possibili combinazioni di geni e fattori che potrebbero causare la SLA. Questo rende difficile sviluppare un trattamento univoco che funzioni per tutti".

Per la loro ricerca, il gruppo ha cercato di capire se le disfunzioni nelle proteine leganti l'RNA (RBP) legate alla SLA, TDP-43, FUS, MATR3 e hnRNPA1, interferiscano con un processo a valle condiviso. Queste proteine sono state implicate nella SLA per il loro ruolo nel metabolismo dell'RNA. Ricerche precedenti avevano dimostrato che TDP-43 stabilizza l'mRNA di UNC13A impedendo l'inclusione di esoni criptici che portano alla degradazione dell'mRNA, preservando così la funzione sinaptica.

Per indagare se le altre RBP potessero influenzare UNC13A, il gruppo ha creato tre distinte linee cellulari neurali con deplezioni di FUS, MATR3 o hnRNPA1 e ha scoperto che in ciascun caso l'espressione di UNC13A era significativamente ridotta. Approfondendo questa scoperta, il gruppo ha scoperto un meccanismo distinto da quello indotto dalla perdita di TDP-43. Invece dell'inclusione criptica dell'esone, la deplezione di queste RBP ha portato alla sovraespressione di REST (fattore di trascrizione silenziante dell'elemento repressore 1), un repressore trascrizionale che sopprime l'attività del gene UNC13A.

"È stato precedentemente dimostrato che la proteina legante l'RNA (RBP) associata alla SLA TDP-43 stabilizza l'mRNA di UNC13A prevenendo l'inclusione criptica dell'esone. Qui, dimostriamo che le RBP associate alla SLA MATR3, FUS e hnRNPA1 regolano l'espressione di UNC13A prendendo di mira il repressore trascrizionale REST", hanno scritto i ricercatori.

Per convalidare la rilevanza di questi risultati nelle patologie umane, i ricercatori hanno poi analizzato tessuti del midollo spinale di pazienti affetti da SLA e motoneuroni derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) portatrici della mutazione FUS P525L, responsabile della SLA. Livelli elevati di REST sono stati confermati in entrambi i casi, a supporto dell'ipotesi che la sovraespressione di REST sia una caratteristica comune della SLA e sia correlata alla soppressione di UNC13A.

UNC13A svolge un ruolo centrale nell'innesco delle vescicole sinaptiche e nel rilascio di neurotrasmettitori, e la sua disfunzione sta diventando un nuovo punto focale nelle numerose cause della SLA. Studi precedenti avevano dimostrato che il ripristino dell'espressione di UNC13A nei neuroni con deficit di TDP-43 ripristina la funzione presinaptica, suggerendo che sia un bersaglio vitale nel meccanismo della malattia. Questo studio contribuisce a questa comprensione dimostrando che la perdita di FUS, MATR3 o hnRNPA1 compromette anche l'espressione di UNC13A attraverso la soppressione trascrizionale dipendente da REST.

"I nostri risultati estendono ora questa osservazione dimostrando che il deterioramento funzionale di ulteriori RBP associati alla SLA comporta anche la soppressione dell'espressione di UNC13A, suggerendo che UNC13A è un punto di convergenza per i meccanismi alla base dell'interruzione della funzione delle vescicole presinaptiche", hanno scritto i ricercatori.

La scoperta che diverse proteine associate alla SLA regolano REST rafforza l'idea che UNC13A sia un bersaglio a valle condiviso da diverse mutazioni della SLA. Lo studio ha anche esaminato il meccanismo con cui queste RBP sopprimono REST. È stato dimostrato che FUS, MATR3 e hnRNPA1 legano l'mRNA di REST e ne sopprimono l'espressione. Il gruppo ha osservato che questa regolazione potrebbe dipendere dalle proprietà di separazione di fase liquido-liquido (LLPS) di queste proteine, molte delle quali ospitano domini simili ai prioni (PrLD), un tratto strutturale comune nelle proteine correlate alla SLA.

Sebbene gran parte del lavoro sia stato condotto su modelli cellulari SH-SY5Y per la trattabilità, i ricercatori hanno confermato la sovraespressione di REST nei motoneuroni iPSC derivati da pazienti e nei tessuti autoptici di SLA. La ricerca ha anche identificato una sovraespressione di REST in casi sporadici di SLA, in cui la localizzazione errata di FUS, MATR3 o hnRNPA1 è meno comune. Ciò implica che, anche in assenza di localizzazione errata, la disfunzione nucleare di queste RBP potrebbe essere sufficiente a indurre REST e sopprimere UNC13A. Gli autori hanno affermato che la sovraespressione di REST potrebbe essere un evento precoce o parallelo nella patogenesi della SLA e giustifica ulteriori indagini.

Lo studio presentava tuttavia un paio di limitazioni, tra cui il fatto che i modelli di cellule neurali utilizzati non replicavano completamente la fisiologia dei motoneuroni maturi. I ricercatori hanno anche osservato che il potenziale duplice ruolo di REST, sia patogeno che protettivo, non è ancora chiaro.

"Per chiarire se REST esercita prevalentemente un ruolo protettivo o patogeno nella SLA saranno necessari modelli quali i motoneuroni derivati da iPSC e sistemi in vivo ", hanno scritto i ricercatori.

I prossimi passi includono la determinazione di come i meccanismi LLPS influenzino la regolazione di REST in modelli fisiologicamente più rilevanti e se l'inibizione di REST od il ripristino di UNC13A possano essere mirati terapeuticamente. I recenti sforzi per sviluppare oligonucleotidi antisenso mirati ai difetti di splicing di UNC13A potrebbero trarre vantaggio dall'integrazione della modulazione di REST come parte della strategia. L'identificazione di UNC13A come nodo centrale nella patogenesi della SLA evidenzia il potenziale del targeting delle vie mediate da REST per affrontare la complessità molecolare della malattia e sviluppare strategie di trattamento che possano funzionare in diversi sottotipi di SLA.

ENGLISH

A new study from researchers at Tohoku University and Keio University in Japan has revealed that diverse genetic causes of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) converge on a shared mechanism involving the suppression of a single gene, UNC13A. The findings, published in The EMBO Journal, has suggested new approaches for the development of more effective ALS therapies.

“Scientists still don’t fully understand the process behind the loss of motor neurons in ALS,” said first author Yasuaki Watanabe, PhD, an assistant professor of neurology at Tohoku University. “ALS is known for its genetic heterogeneity—meaning that there are numerous possible combinations of genes and factors that could lead to ALS. This makes it difficult to develop a singular treatment that works for everyone.”

For their research, the team sought to understand whether dysfunctions in the ALS-linked RNA-binding proteins (RBPs) TDP-43, FUS, MATR3, and hnRNPA1 interfere with a shared downstream process. These proteins have been implicated in ALS for their roles in RNA metabolism. Prior research had shown that TDP-43 stabilizes UNC13A mRNA by preventing inclusion of cryptic exons that lead to mRNA degradation, which preserves synaptic function.

To investigate whether the other RBPs might influence UNC13A, the team created three distinct neural cell lines with depletions of FUS, MATR3, or hnRNPA1 and discovered that in each case, UNC13A expression was significantly reduced. Delving further into this finding the team discovered distinct mechanism from the one driven by TDP-43 loss. Instead of cryptic exon inclusion, the depletion of these RBPs led to the overexpression of REST (repressor element-1 silencing transcription factor), a transcriptional repressor that suppresses UNC13A gene activity.

“The ALS-associated RNA-binding protein (RBP) TDP-43 has previously been shown to stabilize UNC13A mRNA by preventing cryptic exon inclusion. Here, we show that the ALS-associated RBPs MATR3, FUS, and hnRNPA1 regulate UNC13A expression by targeting the transcriptional repressor REST,” the researchers wrote.

To validate the relevance of these findings in human disease, the investigators then analyzed spinal cord tissues from ALS patients and motor neurons derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs) carrying the ALS-causing FUS P525L mutation. Elevated levels of REST were confirmed in both, supporting the hypothesis that REST overexpression is a common feature of ALS and is linked to UNC13A suppression.

UNC13A plays a central role in synaptic vesicle priming and neurotransmitter release and its dysfunction is becoming a new focus on the many causes of ALS. Prior studies had demonstrated that restoring UNC13A expression in TDP-43-deficient neurons rescues presynaptic function, suggesting it as a vital target in the disease mechanism. This study adds to this understanding to show that loss of FUS, MATR3, or hnRNPA1 also impairs UNC13A expression through REST-dependent transcriptional suppression.

“Our findings now extend this observation by showing that functional impairment of additional ALS-associated RBPs also results in suppression of UNC13A expression, suggesting that UNC13A is a convergence point for mechanisms underlying the disruption of presynaptic vesicle function,” the researchers wrote.

The discovery that multiple ALS-associated proteins regulate REST adds weight to the idea that UNC13A is a shared downstream target of diverse ALS mutations. The study also examined the mechanism by which these RBPs suppress REST. FUS, MATR3, and hnRNPA1 were shown to bind REST mRNA and suppress its expression. The team noted that this regulation may depend on liquid-liquid phase separation properties (LLPS) of these proteins, many of which harbor prion-like domains (PrLDs), a structural trait common in ALS-related proteins.

While much of the work was conducted in SH-SY5Y cell models for tractability, the researchers confirmed REST upregulation in patient-derived iPSC motor neurons and ALS autopsy tissues. The research also identified REST overexpression in sporadic ALS cases, where mislocalization of FUS, MATR3, or hnRNPA1 is less common. This implies that even in the absence of mislocalization, nuclear dysfunction of these RBPs may be enough to induce REST and suppress UNC13A. The authors said that REST upregulation could be an early or parallel event in ALS pathogenesis and warrants further investigation.

The study did have a couple of limitations, however, including that the neural cell models used did not fully replicate mature motor neuron physiology. The investigators also noted that and the potential dual role of REST as either pathogenic or protective is not understood.

“Clarifying whether REST predominantly exerts a protective or pathogenic role in ALS will require models such as iPSC-derived motor neurons and in vivo systems,” the researchers wrote.

Next steps include determining how LLPS mechanisms affect REST regulation in more physiologically relevant models, and whether REST inhibition or UNC13A restoration can be therapeutically targeted. Recent efforts to develop antisense oligonucleotides targeting UNC13A splicing defects may benefit from integrating REST modulation as part of the strategy. The identification of UNC13A as a central node in ALS pathogenesis highlights the potential of targeting REST-mediated pathways to address the molecular complexity of the disease and to develop treatment strategies that may work across multiple ALS subtypes.

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/translational-research/diverse-als-mutations-converge-on-common-pathway/?_hsenc=p2ANqtz-98EK-z_62Ly2GHQbSzA4uVaZMEdzf1ltbFYkfPJ28S13UVKEVULf41Hrk1997YiPg3Y63jEulSusDazLPUeA8P13-hUgxMLIq2dkIgMF8h7HKy-kw&_hsmi=373295495