A Potential Treatment for Universal Lowering of all Polyglutamine Disease Proteins

Written by Frida Niss Edited by Dr. Hayley McLoughlin

One drug to treat them all: an approach using RNA interference to selectively lower the amount of mutant protein in all polyglutamine diseases. Work by a group in Poland shows initial success in Huntington’s Disease, DRPLA, SCA3/MJD, and SCA7 patient cells.

Can one drug treat nine heritable and fatal disorders? Polyglutamine diseases are disorders in which a gene encoding a specific protein is expanded to include a long CAG repeat. This results in the protein having a long chain of the amino acid glutamine, which disturbs the ability of the protein to fold itself and interact correctly with other proteins. This type of malfunctioning protein would normally be degraded by the cell, but in the case of polyglutamine proteins this seems unusually difficult. This causes a gradual build-up of faulty protein that disrupts several cellular pathways, eventually leading to cell death in sensitive cells. Currently there is only symptomatic treatment of these fatal diseases available, and they do not slow down the disease progression. One promising line of research is investigating the possibility of lowering the amount of these disease proteins using RNA interference.

RNA interference is the method by which a gene is silenced through a manipulation of a natural defense mechanism against viruses. When a virus attacks, it tries to inject DNA or RNA like particles to hijack the cell’s machinery for its own survival. To defend itself, the cell uses the RNA interference pathway, where the protein Dicer slices the DNA/RNA into smaller pieces and loads it into the RNA-induced silencing complex (RISC complex). The RISC complex finds all DNA/RNA particles in the cell with the same sequence and destroys them, effectively hamstringing the virus.

This machinery can be co-opted as a potential tool for treating neurodegenerative diseases caused by harmful mutant proteins. By inserting a small interfering RNA (siRNA), we can target the mRNA that codes for the harmful protein and trick the RISC complex into degrading it. In polyglutamine diseases, this has been successful when the mutant mRNA possesses a small mutation called a single nucleotide polymorphism (SNP). However, when an siRNA is delivered to a cell using a vector, which is a circular piece of DNA carrying genetic material, the Dicer protein tends to process the siRNA in unpredictable ways. This means that the treatment may not always be selective, and can end up targeting the normal protein as well. Moreover, not all patients have the same SNPs, so several drugs for every disease might be needed.

A pipette transfering liquid between small centifuge tubes
Close up picture of scientific research being conducted in a laboratory. Image courtesy of the University of Michigan SEAS.

In the paper by Kotowska-Zimmer and colleagues they have used short hairpin RNAs (shRNAs) targeting the CAG repeat tract itself instead of siRNAs targeting SNPs around the CAG repeat tract. shRNAs fold themselves like a hairpin when transcribed, and this loads them into the RISC complex through a somewhat different pathway, with less degradation along the way than conventional siRNAs. The second part that is different to other RNA interference strategies in this study is that the shRNA does not completely match the CAG repeat, but contains mismatches. This means that the RISC complex cannot actually cut and degrade the mRNA, and ends up simply sitting on the CAG repeat tract instead. The longer the repeat tract, the more RISC complexes can fit on the tract and block translation. Using this type of RNA interference Kotowska-Zimmer and colleagues have tried to lower the expression of huntingtin, atrophin-1, ataxin-3 and ataxin-7 proteins in cellular models of the corresponding polyglutamine diseases.

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Aperçu Rapide: Qu’est-ce que l’ataxie récessive ?

Qu’est-ce qu’un trouble récessif ?

Un trouble récessif est un trouble qui a un mécanisme de maladie spécifique. Pour qu’un trouble récessif se produise, les deux copies du gène responsable doivent être mutées pour qu’un patient présente des symptômes. Les ataxies qui suivent ce mécanisme de la maladie sont connues sous le nom d’ataxie récessive. Cependant, le fait d’avoir une mutation dans une seule copie du gène n’entraîne pas de trouble. Comme les personnes ne possédant qu’une seule copie mutée du gène peuvent transmettre le gène défectueux, ces personnes sont connues comme étant des porteurs non affectés. Les ataxies récessives varient en symptômes et en gravité, mais sont liées par leur mécanisme pathologique. Bien qu’aucun des ataxies cérébelleuses spinocérébelleuses (ACS) ne soit récessif, il existe plusieurs types d’ataxies récessives, dont l’ataxie cérébelleuse récessive autosomique de type 1 et 2 (ARCA1 et ARCA2), l’ataxie spastique récessive autosomique de Charlevoix-Saguenay (ARSACS), l’Ataxie de Friedreich, et l’ataxie des telangiectasie de la région de l’Ataxia. Par exemple, l’ataxie de Friedreich est causée par une expansion répétée des trinucléotides dans le gène de la frataxine (FXN). Les personnes qui n’ont qu’une seule copie élargie du gène FXN ne présentent aucun symptôme, tandis que les personnes qui ont deux copies élargies du gène FXN sont affectées par l’ataxie de Friedreich.

Comment les ataxies récessives sont-elles héritées ?

Pour chaque gène de notre corps, nous en avons deux copies, l’une héritée de notre mère et l’autre de notre père. Les deux parents d’une personne atteinte doivent avoir au moins une copie de la mutation pour qu’un enfant naisse avec un trouble récessif. Si les deux parents ne sont pas porteurs de la maladie, chaque enfant aura 1 chance sur 4 d’en être atteint.

Pour un patient atteint d’ataxie récessive, les chances d’avoir un enfant atteint du même trouble sont faibles. Pour qu’un patient transmette la maladie, son conjoint doit avoir au moins une copie mutée du gène responsable. Dans le cas où le conjoint d’un patient est porteur, les enfants ont une chance égale d’être porteurs non affectés ou d’être affectés par la maladie. Cependant, les taux de porteurs de l’ataxie sont faibles dans la population, ce qui rend peu probable que le conjoint d’un patient soit également porteur de la mutation ataxique.

Image montrant les chances statistiques que deux parents porteurs non infectés transmettent un gène muté (25% enfant non affecté, 50% enfant porteur, 25% enfant affecté) ou un parent et porteur non affecté affecté (50% enfant porteur, 50% enfant affecté)
Comment les troubles récessifs sont héréditaires. Image d’Eder Xhako, créée avec BioRender

Comment un patient peut-il éviter de transmettre un trouble récessif à ses enfants ?

Généralement, lorsqu’un patient atteint d’ataxie récessive transmet la maladie à ses enfants, son conjoint est un porteur non affecté. Si vous êtes un patient atteint d’une forme d’ataxie récessive et que vous songez à avoir des enfants, votre conjoint peut subir un test de dépistage du porteur pour savoir s’il est porteur de la même ataxie récessive. Cela déterminera la probabilité que l’ataxie récessive soit transmise à vos enfants. S’il est établi que le conjoint est porteur, des options comme la FIV avec dépistage embryonnaire peuvent aider les patientes à prévenir la transmission de l’ataxie récessive à leurs enfants.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les expansions répétées de trinucléotides, vous pouvez jeter un coup d’œil à notre dernier article sur l’expansion de la polyglutamine.

Si vous souhaitez en savoir plus sur le dépistage des porteurs et des embryons, jetez un coup d’œil à ces ressources du American College of Obstetricians & Gynecologists and Integrated Genetics.

Écrit par Eder Xhako, Édité par Larissa Nitschke. Traduction française par: L’Association Alatax, Publication initiale: 29 novembre 2019.

Gene Therapy Validated In Human SCA3 Stem Cells

Written by Dr. Marija Cvetanovic Edited by Dr. Sriram Jayabal

Research group in Michigan report the creation of the first NIH-approved human cell model that mirrors SCA3 disease features – cellular defects that, after gene therapy, show improvement

Spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) is a dominantly-inherited, late onset genetic disease that affects multiple brain regions. Affected individuals suffer from several symptoms, with impaired movement coordination being the most debilitating. SCA3 is caused by a mutation in the Ataxin-3 (ATXN3) gene. In unaffected individuals, ATXN3 typically has anywhere from 12 to 44 repeats of the genetic code “CAG;” however, in some people’s genetic code, the number of CAG repeats can become abnormally high. If this “repeat expansion” mutation causes the ATXN3 gene to have more than 56 CAG repeats, the person develops SCA3. Cells use repeating CAG sequences in their genome to make proteins with long tracts of the amino acid glutamine. In SCA3 cells, these “polyglutamine” (polyQ) tracts are abnormally long in the ATXN3 protein, which makes the protein more prone to form clumps (or “aggregates”) in the cell. The presence of these protein clumps in the cells of the brain is one of the hallmarks of SCA3.

Despite knowing the genetic cause of SCA3, it is still not known how this mutation affects cells on the molecular level. Having said that, several cellular and animal models have been developed in the past two decades to help study these underlying mechanisms. SCA3 models have not only helped to  our increased understanding of the disease’s progression at all levels – molecular, cellular, tissue, and behavioral – but also helped move us closer to therapeutic interventions. For instance, recent studies using SCA3 mouse models have established that targeting ATXN3 with a form of gene therapy known as antisense oligonucleotide (ASO) treatment could very well be an effective strategy for improving the lives of patients. ATXN3-targeting ASOs cause the cells of the brain to produce less of the mutant ATXN3 protein and, when given to SCA3 mice, improved their motor function. These results strongly support the potential use of ASOs to treat SCA3. Still, it is important to see if this finding can be repeated in human neurons (a step that is needed to bring us closer to ASO clinical trials).

Female scientist in a while lab coat busy at work, we are looking at her from behind through some glass bottles
Image of a research scientist hard at work in the lab. Image courtesy of pxfuel.

Previous experience from unsuccessful clinical trials highlight the importance of determining the similarities and differences between humans and mice when it comes to disease. For instance, the SCA3 mutation does not naturally occur in mice; therefore, modeling SCA3 with mice usually requires additional genetic manipulation, which could lead to unexpected effects that we do not typically see in patients. In addition, we may miss important determinants of SCA3 pathology due to the inherent differences between humans and mice. For example, proteins that help contribute to SCA3 in human patients may simply not be present in mouse neurons (and vice versa). Because of such species differences, the therapeutic interventions that are effective in mice are not always as effective in humans.

SCA3 human neurons can help bridge the gap between rodent models and human patients, acting as a clinically relevant tool for looking into disease mechanisms and testing new therapies. Because we cannot remove a portion of an SCA3 patient’s brain to study the disease, these neurons must be created in a lab. Human neurons can be generated from induced pluripotent stem cells (iPSCs) or from human embryonic stem cells (hESCs). Induced pluripotent stem cells (iPSCs) are made from adult cells (usually blood or skin cells) that are reprogrammed to return to an embryo-like form (known as the “pluripotent” state). Just like during normal development, iPSCs can create many different types of cells, including neurons. One problem with this approach is that the process of reprograming can potentially change these cells in way that could affect how the disease presents. To avoid this issue, researchers can also create human neurons from human embryonic stem cells (hESCs), which are derived from embryos and are, therefore, naturally pluripotent. Because hESCs do not require reprograming, they are more likely to accurately model disease. However, they are more difficult to obtain and work with. The researchers in this study, led by Lauren Moore in Dr. Hank Paulson’s lab at the University of Michigan, used hESCs to generate the first ever National Institutes of Health (NIH)-approved SCA3 model using human cells.

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Aperçu Rapide: Qu’est-ce que l’imagerie par résonance magnétique (IRM) ? A quoi sert elle dans l’Ataxie ?

Qu’est-ce que c’est?

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un type de technologie utilisé pour prendre des photos détaillées du corps. Il est couramment utilisé pour détecter des anomalies dans le corps, diagnostiquer des maladies et surveiller régulièrement les patients en cours de traitement. Il peut générer des images tridimensionnelles de tissus non osseux, tels que le cerveau. Les procédures d’IRM sont non invasives, nécessitent une préparation minimale et ne sont pas associées à des risques pour la santé, car elles n’utilisent pas de types de rayonnement nocifs tels que les rayons X.

Comment ça marche?

Les tissus humains contiennent de l’eau, qui contient de très petites particules appelées protons qui se comportent comme de minuscules aimants. Un appareil d’IRM utilise de gros aimants puissants pour générer un champ magnétique qui peut modifier la rotation de ces particules dans votre corps, ce qui les aligne sur le champ magnétique. Des ondes radio non nuisibles sont ensuite émises par le patient, modifiant ainsi la direction de ces particules, de sorte qu’elles ne sont plus alignées sur le champ magnétique. Les ondes radio sont alors désactivées et les particules peuvent alors se réaligner avec le champ magnétique. Différents types de tissus et de structures dans le corps auront des particules qui se ré-alignent différemment, ce qui peut être détecté par la machine pour générer une image détaillée en noir et blanc de la zone balayée du corps. En plus de ces informations structurelles, les analyses IRM peuvent fournir des informations sur la manière dont le cerveau est câblé, les niveaux de produits chimiques importants, le flux sanguin, le métabolisme et les fonctions cérébrales en acquérant des informations différemment avec le même appareil.

Vue 3D d'un cerveau humain entier prise par IRM, sous deux angles.
Vue 3D d’un cerveau humain entier prise par 7 Tesla IRM. Photo offerte gracieusement par B.L. Edlow et al, bioRxiv, 2019

Comment se préparer pour une IRM ?

Étant donné que l’IRM utilise un gros aimant, les appareils électroniques et les objets métalliques, tels que les lunettes et les bijoux, doivent être retirés. Aucune autre préparation n’est généralement requise pour l’analyse. Les patients doivent rester immobiles pour générer une image claire. Les patients n’ont pas besoin d’être sous sédation, sauf s’ils ont du mal à rester allongés pendant l’intervention. Les examens d’IRM obtenus à des fins de recherche n’utilisent pas l’anesthésie pour éviter des risques inutiles aux participants à la recherche.

Que se passe-t-il lors d’une IRM?

Le patient s’allonge sur une table qui se déplacera dans la chambre en forme de tunnel. Le patient est généralement réveillé et restera dans la chambre après plusieurs analyses (environ 30 à 60 minutes). Au fur et à mesure de la numérisation, il y a souvent des bruits mécaniques forts. Des bouchons d’oreilles sont donc fournis pour la protection. Certains patients peuvent souffrir de claustrophobie ou être dérangés par les bruits. En vous familiarisant davantage avec la procédure, en écoutant de la musique ou en fermant les yeux, vous pourrez soulager l’inconfort pendant le scan.

Que recherchent les médecins chez les patients atteints d’une Ataxie spinocérébelleuse (SCA) ?

Les examens IRM sont souvent utilisés pour imager le cerveau afin de détecter les signes d’ataxie spinocérébelleuse (SCA), en particulier dans une région du cerveau appelée cervelet. Le SCA est associé à la perte de cellules cérébrales et se traduit par une réduction du volume de tissu cérébral dans l’image IRM.

Si vous souhaitez en savoir plus sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM), jetez un œil à ces ressources de l’IRM Québec et de l’Université Laval.

Plus de ressources sur l’IRM en anglais peuvent être trouvées aux National Institutes of Health et à la Mayo Clinic.

Écrit par Dr. Claudia Hung, Édité par Dr. Gülin Öz, Traduction française par: L’Association Alatax, Publication initiale: 15 novembre 2019.

Snapshot: What are mitochondria?

Every organ in our body requires a constant supply of energy to function. Our brain and muscles, for instance, need energy to perform tasks such as thinking, walking, and running. The major energy generators in our cells are compartmentalized machines known as “mitochondria.” Mitochondria rely on a series of biochemical steps (collectively referred to as “cellular respiration”) to create ATP (adenosine triphosphate), which is used throughout the cell as a common currency for energy-dependent processes. Almost all cellular processes require ATP, making it a critical part of cellular health and survival.

When we eat, our food gets broken down into nutrients such as proteins, fats, and sugars. In the mitochondria, these nutrients are processed further to generate molecules of ATP. You may have heard mitochondria referred to “the powerhouses of the cell” for their role in producing ATP – because the cell uses energy nearly exclusively in the form of ATP, mitochondria are the major fuel source for our bodies. Some cells, like brain and muscle cells, require much more energy, and therefore contain many more mitochondria than cells that are less active. Additionally, the need for mitochondria can change in different parts of the body depending on energy demands. For example, a new exercise regime can change the number and activity of mitochondria in muscle cells.

 

cartoon of a mitochondria
Cartoon of mitochondria with its different features labeled. Image courtesy of Wikimedia

Mitochondria are classically represented as oval-shaped, but that’s not always the case: they can have a shape anywhere from a long tube to a small sphere. Mitochondrial contents are held in by two separate layers or “membranes”. The inner membrane is dotted with several proteins that perform complex chemical reactions (known collectively as “oxidative phosphorylation”) to turn the broken-down nutrients of our food into ATP. An important feature of the inner membrane is that it folds into “cristae.” These cristae allow more membrane to be packed into less space. With a larger surface area, more reactions can occur simultaneously, thus increasing the efficiency of ATP production.

Why is mitochondrial function important?

 When mitochondria do not function properly, energy production becomes faulty, and cells become starved for energy. Mitochondria are also involved in processes that regulate cell survival; sickly mitochondria, for instance, can send out a biological signal that promotes cell death. Because of the need for energy in every one of our cells, mitochondria are critical for many different functions throughout the body. As such, there are multiple types of conditions that can result from mitochondrial dysfunction. Symptoms between mitochondrial diseases vary, but can include muscle weakness, heart problems, liver problems, vision problems, and learning disabilities. Mitochondrial dysfunction is also involved in brain disorders such as Parkinson’s disease, Alzheimer’s disease, Huntington’s disease, and spinocerebellar ataxias (SCAs). Effective treatments for mitochondrial diseases still need further research; currently, physicians focus on using exercise and dietary supplements to promote ATP production and the formation of new mitochondria in patients with mitochondrial dysfunction.

If you would like to learn more about mitochondria, take a look at these resources by the Mitochondrial Biology Unit and London Health Science Centre.

Snapshot written by Dr. Claudia Hung and edited by Dr. Judit Perez Ortiz.