Le mutazioni nei geni mitocondriali migliorano la patologia nel modello di atassia di Friedreich / Mutations in Mitochondrial Genes Ameliorate Pathology in Friedreich’s Ataxia Model

 Le mutazioni nei geni mitocondriali migliorano la patologia nel modello di atassia di Friedreich / Mutations in Mitochondrial Genes Ameliorate Pathology in Friedreich’s Ataxia Model

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

Gli scienziati del Mass General Brigham e del Broad Institute hanno studiato metodi più efficaci per trattare le persone affette da atassia di Friedreich (FA). Le persone affette da questa rara e progressiva malattia neuromuscolare vengono spesso diagnosticate tra i cinque ed i quindici anni e vivono fino ai 30 o 40 anni. Una sfida fondamentale è rappresentata dall'assenza di trattamenti ampiamente approvati per la malattia e dalle terapie esistenti che potrebbero non essere efficaci in tutti i casi. Ma la situazione potrebbe cambiare grazie a un nuovo studio che fa luce su un modificatore genetico della malattia, aprendo la strada a nuove terapie. 

I dettagli del lavoro sono disponibili in un nuovo articolo pubblicato su Nature intitolato " Mutations in mitochondrial ferredoxin FDX2 suppress frataxin deficiency ". Descrive gli sforzi dei ricercatori per utilizzare  Caenorhabditis elegans  ( C. elegans ) per comprendere e potenzialmente trattare l'AF. La malattia è dovuta alla perdita di una proteina mitocondriale chiamata fratassina, parte del meccanismo proteico utilizzato per produrre cofattori essenziali chiamati cluster ferro-zolfo. Questi sono cofattori essenziali necessari per mediare il trasferimento di elettroni all'interno della catena respiratoria mitocondriale, tra gli altri processi biologici.  

I risultati attuali si basano su precedenti lavori del laboratorio del Dott. Vamsi Mootha, membro dell'istituto del Broad Institute e professore presso i dipartimenti di biologia dei sistemi della Harvard Medical School e di medicina del Massachusetts General Hospital (MGH). Quel  precedente studio  ha dimostrato che le condizioni di ipossia possono parzialmente compensare la perdita di fratassina nelle cellule umane, nei vermi e nei topi.  

"In questo articolo, invece di cercare di perseguire l'ipossia come terapia per rallentare o ritardare la malattia, l'abbiamo semplicemente usata come un trucco. L'abbiamo usata come strumento di laboratorio per scoprire soppressori genetici", ha affermato Joshua Meisel, PhD, autore principale e co-autore corrispondente dell'attuale  studio su Nature. Meisel è un ex borsista post-dottorato presso il MGH e membro fondatore del sistema sanitario del Massachusetts General Brigham. Ora è professore associato presso la Brandeis University. "Il motivo per cui questo è entusiasmante è perché il soppressore che abbiamo identificato, FDX2, è ora una proteina che può essere bersaglio di farmaci più convenzionali". 

Per arrivare a questa conclusione, Meisel, Mootha e i loro collaboratori hanno creato vermi completamente privi di fratassina e li hanno fatti crescere in condizioni di basso ossigeno, il che ha permesso a questi ascaridi altrimenti non vitali di sopravvivere. Hanno quindi introdotto cambiamenti genetici casuali nei vermi e hanno cercato individui che crescessero con successo anche quando i livelli di ossigeno erano più alti, una situazione che avrebbe dovuto essere fatale per i vermi carenti di fratassina.  

Successivamente, hanno sequenziato i genomi dei sopravvissuti. Questo ha permesso loro di identificare mutazioni specifiche in altri due geni mitocondriali, FDX2 e  NFS1, che hanno permesso ai sopravvissuti di bypassare la necessità di fratassina e di produrre comunque cluster ferro-zolfo essenziali. Nell'ambito dello studio, gli scienziati hanno confermato gli effetti delle mutazioni utilizzando test ed esperimenti biochimici sia su cellule umane che su topi. 

Inoltre, la loro analisi ha dimostrato che un eccesso di FDX2 può bloccare la sintesi del cluster ferro-zolfo. Al contrario, ridurre FDX2, introducendo una nuova mutazione genetica o rimuovendo una copia del gene, ne ripristina la produzione. "L'equilibrio tra fratassina e FDX2 è fondamentale", ha affermato Mootha. "Quando si nasce con una quantità insufficiente di fratassina, ridurre leggermente FDX2 aiuta. Quindi, è un delicato gioco di equilibri per garantire una corretta omeostasi biochimica". 

Per verificare se i loro risultati potessero tradursi in una strategia terapeutica efficace, gli scienziati hanno testato gli effetti della riduzione dei livelli di FDX2 in un modello murino di AF. Hanno riferito che l'approccio ha effettivamente migliorato i sintomi neurologici nei topi.  

Si tratta di prove preliminari, ma promettenti. I ricercatori osservano che il preciso equilibrio tra fratassina e FDX2 necessario per le cellule sane può variare a seconda della situazione e sono necessari ulteriori studi per comprendere come questo equilibrio venga regolato negli esseri umani. Studi futuri dovranno verificare se la regolazione dei livelli di FDX2 sia sicura ed efficace come terapia per l'AF in ulteriori modelli preclinici prima di poter avviare studi sull'uomo. 

ENGLISH

Scientists from Mass General Brigham and the Broad Institute have been studying more effective ways of treating people living with Friedreich’s ataxia (FA). People with this rare and progressive neuromuscular disorder are often diagnosed between the ages of five and 15 and live into their 30s or 40s. A key challenge is that there are no widely approved treatments for the disease, and existing therapies may not be effective in all cases. But that could change thanks to a new study that sheds light on a genetic modifier of the disease, which may open a door to new treatments. 

Details of the work are available in a new Nature paper titled “Mutations in mitochondrial ferredoxin FDX2 suppress frataxin deficiency.” It describes the investigators’ efforts to use Caenorhabditis elegans (C. elegans) to understand and potentially treat FA. The disease is due to the loss of a mitochondrial protein called frataxin, part of the protein machinery used to make essential co-factors called iron sulfur clusters. These are essential co-factors needed for mediating electron transfer within the mitochondrial respiratory chain among other biological processes.  

The current findings build on previous work from the laboratory of Vamsi Mootha, MD, an institute member at the Broad Institute and a professor in the departments of systems biology at Harvard Medical School and medicine at Massachusetts General Hospital (MGH). That earlier study showed that hypoxic conditions can partially rescue frataxin loss in human cells, worms, and mice.  

“In this paper, instead of trying to pursue hypoxia to slow or postpone the disease as a therapy, we simply used it as a trick. We used it as a laboratory tool with which to discover genetic suppressors,” said Joshua Meisel, PhD, lead and co-corresponding author on the current Nature study. Meisel is a former postdoctoral fellow at MGH and a founding member of the Mass General Brigham healthcare system. He is now an assistant professor at Brandeis University. “The reason this is exciting is because the suppressor that we’ve identified, FDX2, is now a protein that can be targeted using more conventional medicines.” 

To get to that insight, Meisel, Mootha, and their collaborators created worms that completely lacked frataxin and grew them in low-oxygen conditions, which allowed these otherwise non-viable roundworms to survive. They then introduced random genetic changes into the worms and looked for individuals that grew successfully even when oxygen levels were higher—a situation that should have been fatal to frataxin-deficient worms.  

Next, they sequenced the genomes of the survivors. This allowed them to identify specific mutations in two other mitochondrial genes, FDX2 and NFS1 that allowed the survivors to bypass the need for frataxin and still produce essential iron-sulfur clusters. As part of the study, the scientists confirmed the effects of the mutations using biochemical tests and experiments in both human cells and mice. 

Furthermore, their analysis showed that too much FDX2 can block iron-sulfur cluster synthesis. Conversely, reducing FDX2, either by introducing a new genetic mutation or removing a copy of the gene, restores production. “The balance between frataxin and FDX2 is key,” Mootha said. “When you are born with too little frataxin, bringing down FDX2 a bit helps. So, it’s a delicate balancing act to ensure proper biochemical homeostasis.” 

To see if their findings could translate to an effective treatment strategy, the scientists tested the effects of lowering FDX2 levels in a mouse model of FA. They report that indeed the approach improved neurological symptoms in the mouse.  

It is preliminary evidence but promising. The researchers note that the precise balance of frataxin and FDX2 needed for healthy cells may vary depending on the situation, and more work is needed to understand how this balance is regulated in people. Future studies will need to test whether adjusting FDX2 levels is safe and effective as an FA therapy in additional pre-clinical models before human trials are a possibility. 

Da:

https://www.genengnews.com/topics/omics/mutations-in-mitochondrial-genes-ameliorate-pathology-in-friedreichs-ataxia-model/?_hsenc=p2ANqtz-94FP2vhGI1tYMrJWpIGu5dAc5F08CL_Z4hxnAJphhHydRFJtntauS0P4SohLQrtnnBY-hfOQqoemN44QAtVRqaZVZG32LkUAaxTgFxpvlwBzj1WYc&_hsmi=394179008