Neuropeptide Y gene transfer for neuroprotection in Machado-Joseph Disease

Abstract

Machado-Joseph disease or spinocerebellar ataxia type 3 (MJD/SCA3) is the most common dominantly inherited ataxia worldwide. It is caused by an over-repetition of the trinucleotide CAG, which translates into an expanded polyglutamine tract within the protein ataxin-3. This mutated protein acquires toxic properties promoting neurodegeneration responsible for a progressive impairment of balance and motor function. There is currently no therapy to prevent or slow down the progression of this neurodegenerative disorder. Neuropeptide Y (NPY) is an abundant peptide widely distributed through the mammalian brain, involved in several physiological functions. NPY demonstrated to be effective in controlling and alleviating neurodegeneration in different brain diseases, including Alzheimer’s, Parkinson’s and Huntington’s disease. Therefore, we evaluated NPY levels in postmortem patient samples and mouse models. Moreover, we investigated whether NPY gene transfer would control MJD-associated neuropathology and motor behavior defects in MJD mouse models. The hypothalamus is one of the main regulators of energy homeostasis, sleep and emotion. This brain region is affected by the pathogenic mechanisms of some neurodegenerative disorders, which has, in fact, been associated with some non-motor symptoms of Parkinson’s and Huntington’s disease patients. Considering that MJD patients present non-motor features, such as weight loss and sleep disturbances, we investigated the involvement of hypothalamus in MJD neuropathology, using MJD transgenic mice. This thesis is organized in 5 chapters. In chapter 1, a review about MJD and NPY, with emphases in NPY neuroprotective properties, is presented. In chapter 2, we evaluated striatal NPY levels in a lentiviral (LV)-based striatal MJD mouse model. Since NPY levels were reduced in mutant ataxin-3 transduced striata, we used this striatal MJD model to overexpress NPY mediated by adeno-associated viral (AAV) vectors. Our results show that NPY overexpression reduces the number of mutant ataxin-3 aggregates and decreases striatal pathology. Moreover, our data suggest that NPY-induced neuroprotection is associated with increased levels of BDNF and decreased levels of neuroinflammation markers. In chapter 3, we investigated NPY levels in the cerebellum (the MJD most affected brain region) in post-mortem tissue of MJD patients and in cerebellar extracts of a MJD transgenic mouse model. We observed a decrease of NPY levels either in dentate nucleus of MJD patient samples and in transgenic mice cerebella. Considering the neuroprotective properties of NPY in the striatal mouse model, we tested NPY ability to alleviate MJD cerebellar neuropathology. For that, AAV vectors encoding NPY were injected centrally in the cerebellum of transgenic mice, which then undergone a series of behavioral tests to evaluate motor paradigms. We provide evidence that NPY overexpression prevents balance and motor impairments associated with an attenuation of the underlying cerebellar morphological alterations. In chapter 4, two transgenic mouse models of MJD were used to explore the potential involvement of hypothalamus in MJD neuropathology. Immunohistochemical analysis revealed a decreased number of Orexin (Orx)-, melanin-concentrating hormone (MCH)- and pro-opiomelanocortin (POMC)-positive neurons in the hypothalamus of MJD transgenic mice that present an accumulation of mutant ataxin-3 in these hypothalamic neurons (CAMKII MJD mice). In fact, no such hypothalamic alterations were observed in MJD transgenic mice that only express the mutated protein in cerebellar Purkinje cells (L7 MJD mice). Finally, in chapter 5, final remarks and future perspectives are presented. In conclusion, this thesis provides evidence that NPY levels are decreased in the cerebellum of MJD patients and in the cerebellum and striatum of two well-characterized MJD mouse models. Moreover, we show that NPY overexpression mediates neuroprotection in those MJD mice, which thus maybe an effective therapeutic strategy for MJD. Furthermore, this study indicates that the hypothalamus is affected in a transgenic MJD mouse model in which mutant ataxin-3 is accumulated in hypothalamic neurons. This way, we suggest the establishment of hypothalamus as a new therapeutic target in MJD.

A doença de Machado-Joseph ou ataxia espinocerebelosa tipo 3 (MJD/SCA3) é a ataxia autossómica dominante mais comum a nível mundial. É causada por uma repetição excessiva do trinucleótido CAG, que se traduz numa expansão da cadeia de poliglutaminas na proteína ataxina-3. Esta proteína mutada adquire propriedades tóxicas e promove neurodegenerescência responsável pela progressiva disfunção da coordenação motora e do equilíbrio. Não existe atualmente nenhuma terapêutica que permita prevenir ou atrasar a progressão desta doença neurodegenerativa. O Neuropeptídeo Y (NPY) é um peptídeo abundante e amplamente distribuído pelo cérebro de mamíferos, estando envolvido em diversas funções fisiológicas. Múltiplas evidências mostram a capacidade do NPY para controlar e mitigar a neurodegenerescência em diferentes doenças neurológicas, tais como a doença de Alzheimer, a doença de Parkinson e a doença de Huntington. Assim, avaliámos os níveis de NPY em amostras de doentes MJD e de modelos de murganhos da doença e testámos a capacidade do NPY para atenuar a neuropatologia associada à MJD nestes modelos animais. O hipotálamo é um dos principais reguladores da homeostase energética, do sono e das emoções. Esta região cerebral é afetada pelos mecanismos patogénicos de algumas doenças neurodegenerativas, o que foi já relacionado com a ocorrência de alguns sintomas não motores nos doentes de Parkinson e de Huntington. Tendo em conta que os doentes MJD também apresentam sintomas não motores, como perda de peso corporal e perturbações do sono, investigámos o envolvimento do hipotálamo na neuropatologia da MJD, usando murganhos transgénicos da doença. A tese encontra-se organizada em 5 capítulos. No capítulo 1, é apresentado um resumo bibliográfico da MJD e do NPY, com ênfase nas suas propriedades neuroprotectoras. No capítulo 2, avaliámos os níveis estriatais de NPY no modelo lentiviral estriatal de murganho da MJD. Uma vez que os níveis de NPY estão diminuídos nos hemisférios estriatais transduzidos com a ataxina-3 mutada, utilizámos este modelo animal para promover a sobreexpressão do NPY, mediada por vectores virais adeno-associados (AAV). Os nossos resultados mostram que a sobreexpressão de NPY reduz o número de agregados de ataxin-3 mutante e diminui a patologia estriatal. Simultaneamente, os resultados sugerem que esta neuroprotecção induzida pelo NPY está associada ao aumento dos níveis de BDNF e à diminuição dos níveis de marcadores de neuroinflamação. No capítulo 3, avaliámos os níveis de NPY no cerebelo (a região do sistema nervoso central mais afetada pela MJD) em amostras postmortem de doentes MJD e em extratos cerebelares de murganhos transgénicos da doença. Observamos uma diminuição dos níveis de NPY no cerebelo dos doentes e dos animais transgénicos MJD. Tendo em conta os efeitos neuroprotectores do NPY no modelo estriatal da MJD, testámos a capacidade do NPY para diminuir a neuropatologia cerebelar associada à doença. Para isso, vectores AAV que codificam para o NPY foram injetados centralmente no cerebelo dos murganhos transgénicos, que foram depois sujeitos a uma série de testes comportamentais para avaliar a sua função motora. Evidenciamos que a sobreexpressão de NPY previne défices motores e de equilíbrio, atenuando também as alterações morfológicas cerebelares associadas à ataxia. No capítulo 4, dois modelos transgénicos da MJD foram utilizados para explorar o potencial envolvimento do hipotálamo na neuropatologia da doença. Análises imunohistoquímicas revelam uma diminuição do número de neurónios que expressam orexina (Orx), hormona concentradora de melanina (MCH) e pro-opiomelanocortina (POMC) no hipotálamo de animais transgénicos que apresentam acumulação de ataxina-3 mutada nos neurónios desta zona cerebral (murganhos CAMKII MJD). Em conformidade, estas alterações hipotalâmicas não se observam nos animais transgénicos que apenas expressam a proteína mutada nas células de Purkinje do cerebelo (murganhos L7 MJD). Por último, no capítulo 5, são apresentadas considerações finais e perspetivas futuras. Concluindo, esta tese revela que os níveis de NPY no cerebelo de doentes MJD e no cerebelo e estriado de dois modelos roedores bem caracterizados da doença estão diminuídos. Evidencia também que a sobreexpressão do NPY promove neuroprotecção nestes mesmos modelos MJD, sugerindo que poderá assim vir a constituir uma estratégia terapêutica eficaz para a MJD. Por fim, este estudo indica que o hipotálamo é afetado pela MJD, como avaliado em animais que apresentam acumulação de ataxina-3 mutante nos neurónios hipotalâmicos. Desta forma, sugerimos que o hipotálamo seja instituído como um novo alvo terapêutico na MJD.