Snapshot: O que é terapia genética?

Terapia genética significa utilizar ácidos nucleicos para tratar uma desordem genética. Esses ácidos nucleicos podem ser desenhados em uma variedade de formas para alcançar um mesmo propósito terapêutico. Ferramentas de terapia genética podem ser utilizadas para corrigir um gene mutante através de uma das três formas:

  1. Expressão de uma cópia saudável do gene
  2. Silenciamento ou ativação do transcrito de um gene mutante
  3. Utilização de ferramentas de edição genética para reparar ou desligar o gene mutado.
computer desk laptop stethoscope
Foto de um estetoscópio, por Negative Space no Pexels.com

Como a terapia genética é utilizada?

Doenças monogênicas, como algumas ataxias espinocerebelares (SCAs) são alvos excelentes para abordagens de terapia genética. Terapias genéticas são atualmente utilizadas em pesquisas em ataxia para estudar os mecanismos das doenças e para a aplicação terapêutica em ensaios pré-clínicos.

Terapia genética. 1. Um gene saudável, RNA de interferência ou ferramentas de edição gênica são “empacotados” em vírus adeno-associados (mas também podem ser entregues à célula somente como molécula de DNA ou em nanopartícula). 2. As partículas virais são injetadas no tecido de interesse. 3. O virus entra nas células e libera o material genético. A célula então se tornará saudável por uma das seguintes vias: 1) expressão do gene normal; 2) repressão do RNA mutante, ou 3) correção do gene mutante.
Visão geral da terapia genética, desenvolvida pela Stephanie Coffin com uso do Biorender.

Uma abordagem de terapia genética para resgatar o fenótipo em SCA1 envolve a expressão do gene saudável, ataxina-1-like, que compete com a proteína ATXN1 mutante pela formação de complexos proteicos. Esse trabalho, conduzido por Keiser e colaboradores em 2016, mostrou o resgate fenotípico em um modelo de camundongo de SCA1.

Existem duas tecnologias comuns utilizadas para o silenciamento ou inativação de genes relacionados a doenças: RNA de interferência (RNAi) ou oligonucleotídeos antisenso (ASOs). As estratégias de RNAi utilizam pequenas moléculas de RNA para silenciar a expressão de transcritos-alvo de RNA mutante, enquanto os ASOs são moléculas de DNA usadas para silenciar ou corrigir transcritos de RNA mutante. Ambas as abordagens terapêuticas estão sendo testadas em SCAs. Por exemplo, Carmo e colaboradores mostraram em 2013  que a utilização de RNAi tendo como alvo o gene que causa SCA3, ATXN3, reduziu longitudinalmente os níveis de ATXN3 mutante. Veja o SCAsource snapshot sobre ASOs para maiores informações sobre seu uso em SCAs.

A ferramenta mais comum de edição genética é o sistema CRISPR/Cas9, que utiliza um guia de RNA para direcionar a enzima nuclease Cas9 para a região do genoma a ser editada. Desse modo, o gene mutante pode ser removido ou corrigido. Ainda é cedo para essa tecnologia ser considerada como potencial terapêutico, devido aos desafios enfrentados para a inserção do sistema na célula e os riscos de edição de genes não-alvos.

Como a terapia genética é entregue à célula?

Um dos aspectos mais difíceis da terapia genética é a inserção das diversas moléculas necessárias nas células de interesse. Um método comum é através da utilização de vírus. Nesse método, o ácido nucleico é transferido para as células doentes através de um vetor, que é um vírus que foi modificado para a retirada dos componentes virais. Os vetores virais mais comuns atualmente utilizados na terapia genética são os vírus adeno-associados (AAVs). Outros métodos de inserção incluem vetores não-virais, como moléculas de DNA e nanopartículas.

Qual a durabilidade da terapia genética?

A inserção dos produtos da terapia genética por meios virais promove uma expressão longitudinal do ácido nucleico, enquanto a inserção direta da molécula de DNA ou nanopartículas resulta em uma expressão transiente do ácido nucleico e, portanto, tipicamente requer um tratamento contínuo.

Gostaria de aprender mais sobre terapia genética? Dê uma olhada no conteúdo (em inglês) dos sites do National Institutes of Health e KidsHealth.

Snapshot escrito por Stephanie Coffin e editado por Dr.Hayley McLoughlin. Inicialmente publicado em 23 de agosto de 2019. Traduzido para o português por Priscila P. Sena.

Identifying serotonin receptors as a therapeutic target for SCA3

Written by Dr. Hannah K Shorrock Edited by Dr. Hayley McLoughlin

A C. elegans model of SCA3 helps to identify the serotonin receptor agonist befiradol as a potential therapeutic for SCA3

To move toward treatments for ataxia patients, it is important to understand what cellular and molecular pathways are dysfunctional in the disease. We can then identify specific cellular or molecular targets that are suitable for therapeutic intervention. In this study, researchers built on their previous work that adjusting serotonergic signaling could be used as a treatment approach in SCA3. They did this by identifying two drugs that target different combinations of serotonin receptors. When used together, these two drugs provide therapeutic benefit in Caenorhabditis elegans (C. elegans) models of SCA3. This study moves us closer to therapies for SCA3 by identifying the parts of the serotonergic signaling pathway most suitable to be targeted for further drug development.

The research team had previously worked with a small molecule that targeted multiple cellular pathways. This included many components of the serotonergic signaling pathway. In this study, the group wanted to identify the aspects of this signaling pathway responsible for the therapeutic benefit seen with these treatments. They used a C. elegans animal model of SCA3 in which a form of the SCA3 causing gene, ATXN3, containing 130 CAG repeats is expressed in neurons.

C. elegans have four receptors within the serotonergic signaling pathway that are highly similar to four receptors in humans. This makes them a strong model system to explore the treatment potential of targeting these receptors. The mutant ATXN3 C. elegans move less and they move slower than C. elegans without the ATXN3 expansion.

The group studied the effect of two drugs targeting receptors involved in the serotonergic signaling pathway on these movement defects. They found that at the same concentration both tandospirone and befiradol treatment for four days improved the motor performance of mutant ATXN3 C. elegans. This occurred for both the speed and amount of movement. Importantly, neither of the drugs affected the motor performance of C. elegans without the mutant ATXN3. This indicates that in this model system, the effect of the treatments is specific to the presence of the repeat expansion mutation. This is a desirable quality for any therapeutic strategy for a repeat expansion disease.

Two large blue worms on a black background, with three smaller blue worms beneath them
Microscopy images of C. elegans worms, a type of animal model used to study ataxia. Photo used under license by Heiti Paves/Shutterstock.com.
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SCAsource is Partnering with the National Ataxia Foundation

The SCAsource team is excited to announce that we are partnering with the National Ataxia Foundation (NAF) to improve our website infrastructure!

As you know, SCAsource is run by a team of volunteers, mainly graduate students and post-doctoral fellows from ataxia research labs. We’re researchers, not web designers, but we’ve done our best so far to make the SCAsource website the best it can be.

However, by partnering with NAF we will be able to get support with the administrative aspects of running the SCAsource website. They’ll also be covering our website costs, which will help us grow into a sustainable initiative.

The National Ataxia Foundation Logo. www.ataxia.org
SCAsource is partnering with the National Ataxia Foundation to improve our website infrastructure and cover our administrative costs. Image courtesy of the National Ataxia Foundation

Over the next few months, we’ll be migrating existing SCAsource content to a new section of the NAF website. We’re planning to have this finished by July 2022. But don’t worry! This current website will still be online for a while. You will be automatically redirected to the new website if you click the link of an old SCAsource article.

We are so excited for this next step in the growth of SCAsource! We’ll keep you updated as our transition to the new website progresses. Thank you to all our volunteer writers, editors, and translators who have made the idea of SCAsource a reality. Another huge thank you to you, our readers! Thanks to your interest and support, we’ve been able to partner with NAF.

You can learn more about the National Ataxia Foundation at its website. You can read more about our partnership in the official press release or the announcement video on Youtube.

Cerebellum, Pons, and Medulla- Oh my! Which brain regions can help us assess SCA3 progression?

Written by Carrie Sheeler Edited by Dr. Hayley McLoughlin

Researchers use Magnetic Resonance Imaging (MRI) to determine if brain volume can be a biomarker for SCA3

There are two goals of preclinical research. First, to understand the cause of a disease. Second, to develop treatments to stop or slow its effects. As understanding of the underlying causes of spinocerebellar ataxias (SCAs) has grown, researchers have begun to develop strategies for treating or slowing the progression of this family of diseases. The next question is how to best move these potential therapies from the lab space to the clinic, which we do through clinical trials.

Clinical trials are essentially enormous multi-phase experiments run largely by drug companies. Clinical trials ask two main questions. First, is this drug/therapy safe? Then, how well does this drug/therapy work? Many potential therapies for neurodegenerative diseases have been unsuccessful in the past decade. These attempts have failed to demonstrate that they are effective in changing the progression of diseases, such as Alzheimer’s and Parkinson’s. There is concern that lack of drug effectiveness may come from starting treatment too late in the progression of the disease. Later in disease, irreversible damage may have already happened that is too much to fix. This is difficult to avoid in cases where the main measure of drug success (known as “primary endpoint”) is determined by clinical assessment in which a patient treated with a drug already has symptoms. An example of this in ataxia clinical trials is using the scale for assessment and rating of ataxia, also known as the SARA score.

To add more quantitative strength to clinical assessments that may also allow researchers to predict when symptoms will start to occur, scientists are seeking out new ataxia biomarkers. Examples of biomarkers include changes in brain volume or the concentration of certain proteins in blood. These studies may allow for a greater timeframe within which clinicians can combat disease progression

Abstract blue brain
The volume of different brain regions could be used as biomarkers for SCA3 clinical trials. Photo used under license by Butusova Elena/Shutterstock.com.

This paper examined if the volume of specific areas of the brain may be used as a biomarker for spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3). To accomplish this aim, they assessed brain images from 210 symptomatic SCA3 individuals, 48 pre-ataxia SCA3 individuals, and 63 healthy controls. The designation of ataxia vs pre-ataxia was done using SARA score. Pre-ataxia individuals had a score of less than three, while symptomatic patients had a score greater than or equal to 3. The images were taken using magnetic resonance imaging (MRI). Images were taken of 122 distinct brain regions, covering the entirety of the brain and the upper regions of the spinal cord.

The average ages for all three groups were 46 for symptomatic individuals with SCA3, 38 for pre-ataxia individuals with SCA3, and 43 for controls. Notably, each patient received only one MRI. This means the comparisons made in this study rely on comparisons between individuals, rather than within the same individual over time. This is important because it means that the results listed below are a representation of changes in the brain across a population of SCA3 mutation carriers. This is not a representation of what is happening in one individual over time. But it is quite similar to what you might measure during a clinical trial.

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Subproduto da produção do óleo de canola apresenta potencial terapêutico para as doenças de Machado-Joseph e Parkinson

Escrito por Dr. Maria do Carmo Costa, editado por Dr. Hayley McLoughlin. Inicialmente publicado em 24 de abril de 2020. Traduzido para o português por Priscila P. Sena.

Em um trabalho de colaboração utilizando modelo animal, pesquisadores de Portugal e do Reino Unido descobrem um subproduto do óleo de canola promissor para o tratamento das doenças de Machado-Joseph (ou ataxia espinocerebelar do tipo 3 – SCA3) e Parkinson.

Compostos isolados ou extratos (contendo uma mistura de compostos) de determinadas plantas têm se mostrado promissores como potenciais drogas anti-envelhecimento, ou como drogas terapêuticas para doenças neurodegenerativas. Alguns desses compostos ou extratos vegetais podem aumentar a capacidade celular de combater o estresse oxidativo anormal, típico do envelhecimento e de doenças neurodegenerativas. A doença de Machado-Joseph (também conhecida como ataxia espinocerebelar do tipo 3) e a doença de Parkinson são duas doenças neurodegenerativas nas quais a incapacidade celular de combater o estresse oxidativo contribui para a perda neuronal. Nesse estudo, os grupos do Dr. Thoo Lin e Dr. Maciel fizeram uma parceria para testar o potencial terapêutico do bagaço de colza (“rapeseed pomace”, RSP), um extrato residual com propriedades antioxidantes obtido após a produção do óleo de canola. Os experimentos foram realizados em modelo nematódeo (Caenorhabditis elegans) das doenças de Machado-Joseph e Parkinson.

Canola field with snowcapped mountains in the background, July 1990
Plantação de canola com montanhas cobertas de neve ao fundo, cortesia de imagem da USDA NRCS Montana on Flickr.

A doença de Machado-Joseph é uma ataxia neurodegenerativa dominante, causada por uma expansão trinucleotídica CAG no gene ATXN3 que resulta em uma proteína mutante (ATXN3). Enquanto em indivíduos não afetados essa expansão trinucleotídica contém de 12 a 51 repetições CAG, em pacientes de Machado-Joseph essa expansão varia entre 55 e 88 repetições. Como cada CAG no gene ATXN3 codifica um aminoácido glutamina (Q), a proteína mutante contém um trecho de Qs contínuos, conhecido como poliglutamina (polyQ).

A doença de Parkinson, caracterizada pela perda de neurônios dopaminérgicos, pode ser causada tanto por mutações genéticas quanto por fatores ambientais. Mutações nos genes codificadores da proteína α-sinucleína e da enzima tirosina hidroxilase (uma enzima crucial para a produção de dopamina) estão entre as causas genéticas da doença de Parkinson.

Nesse estudo, Pohl, Teixeira-Castro e colaboradores utilizaram modelos nematódeos para a doença de Machado-Joseph, geneticamente modificados para a produção neuronal da proteína mutante humana ATXN3. A proteína mutante forma agregados proteicos nos neurônios dos nematódeos e causa problemas de motilidade, replicando aspectos da doença de Machado-Joseph em humanos.

Os pesquisadores também utilizaram nematódeos modificados geneticamente para expressar a proteína ATXN3 normalmente expressa em humanos não afetados pela doença de Machado-Joseph. Esses nematódeos apresentam movimentos normais e a proteína ATXN3 não forma agregados proteicos nos neurônios, o que reproduz a condição normal humana.

Modelos nematódeos que apresentam perda de neurônios dopaminérgicos também foram utilizados, representando a doença de Parkinson causada tanto por fatores genéticos quanto por fatores ambientais. Eles utilizaram nematódeos geneticamente modificados para a produção da proteína α-sinucleína humana, ou para a superexpressão da enzima tirosina hidroxilase, ou ainda nematódeos tratados com um composto químico que leva à morte de neurônios dopaminérgicos.

Os autores mostraram nesse estudo que a administração de RSP, um subproduto da produção do óleo de canola, aos modelos nematódeos das doenças de Machado-Joseph e Parkinson, reduz determinados sinais dessas doenças. Resumidamente, os modelos nematódeos da doença de Machado-Joseph tratados com RSP apresentaram uma recuperação dos movimentos a um nível comparável aos animais não afetados, e os modelos nematódeos da doença de Parkinson tratados com RSP mostraram uma preservação dos neurônios dopaminérgicos.

Em seguida, os pesquisadores mostraram que o tratamento com RSP recuperou os nematódeos de certos sinais das doenças de Machado-Joseph e Parkinson através da ativação de vias celulares que protegem contra o estresse oxidativo. Especificamente, os autores encontraram evidências de uma via protetora em particular, conhecida como resposta celular antioxidante dependente de glutationa S-transferase 4 (GST-4), que foi ativada em modelos nematódeos das doenças de Machado-Joseph e Parkinson tratados com RSP.

Ainda que sejam necessários mais estudos, particularmente em animais vertebrados, para que se compreenda completamente como o extrato de RSP recupera o organismo de sinais das doenças de Machado-Joseph e Parkinson, a enzima GST-4 parece ser um bom alvo terapêutico para essas doenças. Esse estudo, acima de tudo, demonstra que o aumento de defesas particulares do organismo contra o estresse oxidativo é uma rota potencial para o desenvolvimento de estratégias terapêuticas para as doenças de Machado-Joseph e Parkinson.

Palavras-chave

Repetições CAG: um trecho de DNA composto pela sequência CAG repetida muitas vezes. Todos nós temos repetições CAG em alguns genes, mas se essas repetições excederem um limite de tamanho elas podem causar doenças, como é o caso da doença de Machado-Joseph.

Caenorhabditis elegans: um animal bem pequeno, parecido com uma minhoca, denominado nematódeo. C. elegans são organismos muito simples, mas podem ser utilizados para aprendermos mais sobre organismos mais complexos, como o organismo humano. Para aprender mais, visite o nosso Snapshot em C. elegans.

Neurônios dopaminérgicos: um tipo de neurônio que produz dopamina, encontrado no sistema nervoso. Apesar de representarem menos de 5% de todos os neurônios do corpo, eles exercem um papel importante no movimento, humor e estresse.

Estresse oxidativo: um tipo de perturbação do funcionamento normal de uma célula, causado por um desbalanço dos níveis de espécies reativas de oxigênio. Essas espécies de oxigênio são produzidas como um subproduto normal do metabolismo celular e geralmente são eliminadas pela célula sem grandes transtornos. Quando as células são incapazes de eliminar de forma suficiente essas espécies reativas de oxigênio, essas moléculas começam a acumular e causar danos a componentes que formam estruturas críticas da célula, como lipídeos, proteínas e o DNA. Conforme envelhecemos, as células naturalmente se tornam menos eficientes em eliminar espécies reativas de oxigênio, e experimentamos um nível mais alto de estresse oxidativo.

Declaração de conflito de interesse

Os autores e o editor declaram não haver conflito de interesse.

Dois dos autores do artigo original (P. Maciel e F. Pohl) contribuem para o SCAsource. Nenhum desses autores teve qualquer contribuição à escrita ou edição desse resumo.

Citação do artigo revisado

Pohl F, Teixeira-Castro A, Costa M, Lindsay V, Fiúza-Fernandes J, Goua M, Bermano G, Russell W, Maciel P, Kong Thoo Lin P. GST-4-dependent suppression of neurodegeneration in C. elegans models of Parkinson’s and Machado-Joseph disease by rapeseed pomace extract supplementation. Frontiers in neuroscience. 2019;13:1091. doi: 10.3389/fnins.2019.01091