El tratamiento para la SCA1 no causa efectos secundarios no deseados en un modelo de ratón

Escrito por el Dr. Ronald Buijsen Editado por la Dra. Larissa Nitschke. Publicado inicialmente en el 28 de Enero de 2021. Traducción al español fueron hechas por FEDAES y Carlos Barba.

O’Callaghan y sus colegas muestran que los enfoques terapéuticos novedosos para reducir la proteína que causa la enfermedad en SCA1 no aumentan el riesgo de desarrollar cáncer o enfermedad de Alzheimer en ratones SCA1.

Las personas afectadas con ataxia espinocerebelosa tipo 1 o SCA1 llevan una expansión de un tramo repetitiva de ADN en el ATXN1 gen. La expandido ATXN1 gen codifica una proteína expandido ataxina-1, que se acumula y causa toxicidad en el cerebro. Esto provoca problemas de coordinación motora y letalidad prematura. Hasta ahora, no existe ningún tratamiento que ralentice, detenga o revierta la progresión de la enfermedad SCA1.

Aún así, varios estudios preclínicos demostraron que la reducción de los niveles de proteína ataxina-1 puede mejorar los déficits de coordinación motora en modelos de ratón SCA1. Una estrategia para reducir los niveles de ataxina-1 es el uso de oligonucleótidos antisentido (ASO) . Estos tratamientos de ASO escinden específicamente el ARNm de Atxn1 y reducen los niveles de proteína ataxina-1.

Este estudio, publicado por el grupo del Dr. Harry Orr en 2018 , mostró que la inyección de ASO en el cerebro de ratones SCA1 mejora los déficits motores, prolonga la supervivencia y revierte las anomalías neuroquímicas. Sin embargo, la reducción de los niveles de la proteína ataxina-1 podría provocar una expresión alterada de otras proteínas en el cerebro. Esto podría afectar la seguridad de esta estrategia de tratamiento. Por lo tanto, este estudio de seguimiento investigó si la reducción de los niveles de proteína ataxina-1 produce efectos no deseados.

a brown laboratory mouse sits in a researcher's gloved hand
El tratamiento con ASO para reducir los niveles de ataxina-1 no causa efectos secundarios no deseados en un modelo de ratón SCA1. La Imagen fue obtenida de Rama de Wikimedia.
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ASO treatment to lower ataxin-1 levels doesn’t cause unwanted side effects in a SCA1 mouse model

Written by Dr. Ronald Buijsen Edited by Dr. Larissa Nitschke

O’Callaghan and colleagues show that novel therapeutic approaches to reduce the disease-causing protein in SCA1 do not increase the risk of developing cancer or Alzheimer’s disease in SCA1 mice.

People affected with Spinocerebellar Ataxia type 1 or SCA1 carry an expansion of a repetitive stretch of DNA in the ATXN1 gene. The expanded ATXN1 gene encodes an expanded ataxin-1 protein, which accumulates and causes toxicity in the brain. This causes motor coordination problems and premature lethality. So far, there is no treatment that slows, stops, or reverses SCA1 disease progression.

Still, several preclinical studies demonstrated that reducing ataxin-1 protein levels can improve the motor coordination deficits in SCA1 mouse models. One strategy to reduce ataxin-1 levels is the use of antisense oligonucleotides (ASO). These ASO treatments specifically cleave Atxn1 mRNA and lower ataxin-1 protein levels.

This study, published by the group of Dr. Harry Orr in 2018, showed that injection of ASOs into the brain of SCA1 mice improves motor deficits, prolonged survival, and reversed neurochemical abnormalities. However, lowering ataxin-1 protein levels might lead to altered expression of other proteins in the brain. This could impact the safety of this treatment strategy. Therefore, this follow-up study investigated whether lowering of ataxin-1 protein levels results in unwanted effects.

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ASO research in SCA1 is promising. But before moving forward, more safety testing had to be done in SCA1 mouse models. Image courtesy of Rama on Wikimedia.
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2 minuti di Scienza: Cosa sono I nucleotidi antisenso?

I nucleotidi anti-senso (anche noti come ASOs o AON, dall’inglese Antisense oligonucleotides) sono piccole molecole che possono essere usate per prevenire o alterare la produzione di proteine. Le proteine sono la forza lavoro della cellula, e dirigono la maggior parte dei processi cellulari. Le proteine sono prodotte in due fasi: nella prima un gene che codifica per una proteina viene convertito in una molecola che contiene specifiche istruzioni, l’RNA messaggero (mRNA). L’ mRNA trasferisce l’informazione contenuta nei geni al compartimento che assembla le proteine. Qui, l’mRNA è infine trasformato in proteina. Gli ASOs sono corte sequenze di DNA a singolo filamento, complementari alla sequenza di uno specifico mRNA. In base a diversi tipi di modifiche chimiche della loro sequenza, gli ASOs possono determinare due tipi di effetti sull’ mRNA complementare. Alcune modifiche fanno si che gli ASO distruggano l’mRNA e, di conseguenza, causano la perdita della proteina corrispondente. Altre modifiche, invece, permettono agli ASO di mascherare certi tratti dell’mRNA bersaglio, causando la produzione di una versione alterata della proteina.

Come funzionano gli ASO nel corpo umano. Autore della figura Larissa Nitschke, creato con BioRender.

La maggior parte delle Atassie spinocerebellari (dall’inglese Spinocerebellar Ataxias, SCAs) sono causate dall’accumulazione di una proteina tossica in una specifica regione del cervello. Per questo motivo, il principale obiettivo del trattamento delle SCAs con gli ASOs è inibire la produzione della proteina tossica. Un esempio di questa applicazione degli ASO è il lavoro del Prof. Harry Orr all’ Università del Minnesota. Il suo gruppo di ricerca studia l’Atassia spinocerebellare di tipo 1 (SCA1), causata dall’accumulo tossico della proteina Ataxina-1. Iniezioni di ASOs in modelli animali di SCA1 riducono i livelli di Ataxina-1 e migliorano l’incoordinazione motoria tipica della SCA1. Un altro modo di usare gli ASOs per il trattamento delle SCAs è la modifica dell’informazione trasmessa dall’mRNA per produrre una versione alterata della proteina. Questo approccio è stato testato nel caso della Atassia spinocerebellare di tipo 3 (SCA3), nella quale un’espansione nel gene Atxn3 rende la proteina Ataxina 3 tossica. Il gruppo del Dr. van Roon-Mom, in Olanda, per esempio, ha usato gli ASOs per rimuovere esclusivamente la porzione espansa della proteina Atxn3, lasciando intatta il resto della struttura proteica e la sua funzione.

Entrambi gli studi, così come altri studi portati avanti per altre SCAs, hanno evidenziato il potenziale uso degli ASOs come strumenti terapeutici per le SCAs. Mentre la ricerca sugli ASOs per le SCAs è per lo più nella fase preclinica, il trattamento con gli ASO per altre malattie, come la Distrofia Muscolare di Duchenne e l’atrofia muscolare spinale, è stato già approvato dall’ente statunitense Food and Drug Administration. Ulteriori studi clinici saranno necessari per misurare il beneficio terapeutico degli ASOs in pazienti di SCAs.

Per saperne di più sugli oligonucleotidi antisenso, leggi questo articolo alla pagina  HDBuzz sugli ASOs in via di sviluppo per la malattia di Huntington.

“2 minuti di Scienza” scritto da Dr. Larissa Nitschke, revisionato da Dr. Hayley McLoughli, tradotto in italiano da Dr. Antonia De Maio. Pubblicato per la prima volta il 31 Maggio 2019.

Spotlight: The Neuro-D lab Leiden

Principal Investigator: Dr. Willeke van Roon-Mom

Location: Leiden University Medical Centre, Leiden, The Netherlands

Year Founded: 1995

What disease areas do you research?

What models and techniques do you use?

A group photo of members of the Neuro-D lab Leiden standing outside on a patio.
This is a group picture taken during our brainstorm day last June. From left to right: Boyd Kenkhuis, Elena Daoutsali, Tom Metz, Ronald Buijsen, Willeke van Roon-Mom (PI), David Parfitt, Hannah Bakels, Barry Pepers, Linda van der Graaf and Elsa Kuijper. Image courtesy of Ronald Buijsen.

Research Focus

What is your research about?

The Neuro-D research group studies how diseases develop and progress at the molecular level in several neurodegenerative diseases. They focus on diseases that have protein aggregation, where the disease proteins clump up into bundles in the brain and don’t work correctly.

We focus strongly on translational research, meaning we try to bridge the gap between research happening in the laboratory to what is happening in medical clinics. To do this we use more “traditional” research models like animal and cell models. But we also use donated patient tissues and induced pluripotent stem cell (iPSC) models, which is closer to what is seen in medical clinics.

Our aim is to unravel what is going wrong in these diseases, then discover and test potential novel drug targets and therapies.

One thing we are doing to work towards this goal is identifying biomarkers to measure how diseases progress over time. To do this, we use sequencing technology and other techniques to look at new and past data from patients.

Why do you do this research?

So far there are no therapies to stop the progression of ataxia. If we can understand what is happening in diseases in individual cells, we can develop therapies that can halt or maybe even reverse disease progression.

Identifying biomarkers is also important, because it will help us figure out the best time to treat patients when we eventually have a therapy to test.

Stylized logo for the Dutch Center for RNA Therapeutics
The Neuro-D lab Leiden is part of the Dutch Center for RNA Therapeutics, which focuses on RNA therapies like antisense oligonucleotides. Logo designed by Justus Kuijer (VormMorgen), as 29 year old patient with Duchenne muscular dystrophy.

Are you recruiting human participants for research?

Yes, we are! We are looking for participants for a SCA1 natural history study and biomarker study. More information can be found here. Please note that information about this study is only available in Dutch.

Fun Fact

All our fridges and freezers have funny names like walrus, seal, snow grouse and snowflake.

For More Information, check out the Neuro-D lab Leiden website!


Written by Dr. Ronald Buijsen, Edited by Celeste Suart

Terapia gênica validada em celulas estaminais SCA3 humanas

Escrito por Dr. Marija Cvetanovic, Editado por Dr. Sriram Jayabal, Traduzido para Português por Guilherme Santos, Publicado inicialmente em: 20 de março de 2020.

Grupo de pesquisa em Michigan relata a criação do primeiro modelo de célula humana aprovado pelo NIH que reflete as características da doença SCA3 – defeitos celulares que, após terapia genética, mostram melhora

A ataxia espinocerebelar tipo 3 (SCA3) é uma doença genética de início tardio, de herança dominante, que afeta várias regiões do cérebro. Os indivíduos afetados sofrem de vários sintomas, sendo a coordenação do movimento a mais prejudicada e debilitante. A SCA3 é causada por uma mutação no gene Ataxin-3 (ATXN3). Em indivíduos não afetados, o gene ATXN3 geralmente tem de 12 a 44 repetições do código genético “CAG;” no entanto, no código genético de algumas pessoas, o número de repetições de CAG pode se tornar anormalmente alto. Se essa mutação de “expansão repetida” fizer com que o gene ATXN3 tenha mais de 56 repetições CAG, a pessoa desenvolverá ataxia SCA3. As células usam sequências CAG repetidas em seu genoma para produzir proteínas com longas extensões do aminoácido glutamina. Nas células SCA3, esses tratos de “poliglutamina” (polyQ) são anormalmente longos na proteína ATXN3, o que torna a proteína mais propensa a formar aglomerados (ou “agregados”) na célula. A presença desses aglomerados de proteínas nas células do cérebro é uma das características do SCA3.

Apesar de conhecer a causa genética da SCA3, ainda não se sabe como essa mutação afeta as células no nível molecular. Dito isto, vários modelos celulares e animais foram desenvolvidos nas últimas duas décadas para ajudar a estudar esses mecanismos subjacentes. Os modelos SCA3 não apenas ajudaram a nossa compreensão da progressão da doença em todos os níveis (molecular, celular, tecido e comportamental), mas também nos ajudaram a nos aproximar de intervenções terapêuticas. Por exemplo, estudos recentes usando modelos de camundongo SCA3 estabeleceram que direcionar o ATXN3 com uma forma de terapia genética conhecida como tratamento com oligonucleotídeo antisense (ASO) poderia muito bem ser uma estratégia eficaz para melhorar a vida dos pacientes. Os ASOs direcionados ao ATXN3 fazem com que as células do cérebro produzam menos proteína ATXN3 mutante e, quando administradas a camundongos SCA3, melhoram sua função motora. Esses resultados apoiam fortemente o uso potencial de ASOs no tratamento da SCA3. Ainda assim, é importante verificar se esse achado pode ser repetido em neurônios humanos (um passo necessário para nos aproximar dos ensaios clínicos da ASO).

Female scientist in a while lab coat busy at work, we are looking at her from behind through some glass bottles
Imagem de um cientista pesquisador trabalhando no laboratório. Imagem cortesia de pxfuel.

A experiência anterior de ensaios clínicos malsucedidos destaca a importância de determinar as semelhanças e diferenças entre humanos e camundongos quando se trata de doença. Por exemplo, a mutação SCA3 não ocorre naturalmente em camundongos; portanto, modelar SCA3 em camundongos geralmente requer manipulação genética adicional, o que poderia levar a efeitos inesperados que normalmente não vemos nos humanos. Além disso, podemos perder importantes determinantes da patologia de SCA3 devido às diferenças inerentes entre humanos e camundongos. Por exemplo, proteínas que ajudam a contribuir para a SCA3 em pacientes humanos podem simplesmente não estar presentes nos neurônios do rato (e vice-versa). Devido a essas diferenças de espécies, as intervenções terapêuticas eficazes em camundongos nem sempre são tão eficazes em humanos.

Os neurônios humanos SCA3 podem ajudar a preencher a lacuna entre modelos de roedores e pacientes humanos, atuando como uma ferramenta clinicamente relevante para examinar os mecanismos da doença e testar novas terapias. Como não podemos remover uma parte do cérebro de um paciente com SCA3 para estudar a doença, esses neurônios devem ser criados em laboratório. Os neurônios humanos podem ser gerados a partir de células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) ou de células estiminais embrionárias humanas (hESCs). As células estaminais pluripotentes induzidas (iPSCs) são produzidas a partir de células adultas (geralmente células do sangue ou da pele) que são reprogramadas para retornar a uma forma semelhante a um embrião (conhecido como estado “pluripotente”). Assim como durante o desenvolvimento normal, as iPSCs podem criar muitos tipos diferentes de células, incluindo neurônios. Um problema com essa abordagem é que o processo de reprogramação pode potencialmente alterar essas células de maneira a afetar a forma como a doença se apresenta. Para evitar esse problema, os pesquisadores também podem criar neurônios humanos a partir de células estaminais embrionárias humanas (hESCs), derivadas de embriões e, portanto, naturalmente pluripotentes. Como os hESCs não requerem reprogramação, é mais provável que modelem com precisão a doença. No entanto, eles são mais difíceis de obter e trabalhar. Os pesquisadores deste estudo, liderados por Lauren Moore no laboratório do Dr. Hank Paulson na Universidade de Michigan, usaram hESCs para gerar o primeiro modelo SCA3 aprovado pelo Instituto Nacional de Saúde (Americano) – National Institutes of Health (NIH) usando células humanas.

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