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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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

Byproducts of canola oil production show therapeutic potential for MJD and Parkinson’s Disease

Written by Dr. Maria do Carmo Costa, Edited by Dr. Hayley McLoughlin

Collaboration between researchers in Portugal and the United Kingdom discover that a canola oil by-product shows promise, corrects MJD/SCA3 and Parkinson’s Disease symptoms in animal models.

Isolated compounds or extracts (containing a mixture of compounds) from certain plants are showing promise as potential anti-aging drugs or as therapeutics for neurodegenerative diseases. Some of these plant compounds or extracts can improve the capacity of cells to fight oxidative stress that is defective in aging and in some neurodegenerative diseases. Machado-Joseph disease, also known as Spinocerebellar ataxia type 3, and Parkinson’s disease are two neurodegenerative diseases in which cells inability to defend against oxidative stress contributes to neuronal death. In this study, the groups of Dr. Thoo Lin and Dr. Maciel partnered to test the therapeutic potential of an extract from the canola plant rapeseed pomace (RSP) with antioxidant properties in Machado-Joseph disease and Parkinson’s disease worm (Caenorhabditis elegans) models.

Canola field with snowcapped mountains in the background, July 1990
Canola field with snowcapped mountains in the background, image courtesy of USDA NRCS Montana on Flickr.

Machado-Joseph disease is a dominant neurodegenerative ataxia caused by an expansion of CAG nucleotides in the ATXN3 gene resulting in a mutant protein (ATXN3). While in unaffected individuals this CAG repeat harbors 12 to 51 trinucleotides, in patients with Machado-Joseph disease contains 55 to 88 CAG repeats. As each CAG trinucleotide in the ATXN3 gene encodes one amino acid glutamine (Q), the disease protein harbors a stretch of continuous Qs, also known as polyglutamine (polyQ) tract.

Parkinson’s disease that is characterized by loss of dopaminergic neurons can be caused either by genetic mutations or by environmental factors. Mutations in the genes encoding the protein a-synuclein and the enzyme tyrosine hydroxylase (a crucial enzyme for the production of dopamine) are amongst the genetic causes of patients with Parkinson’s disease.

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Saiba mais: O que são os modelos de Caenorhabditis elegans?

O que é C. elegans?

Se você leu o título deste artigo e não fazia ideia do que é Caenorhabditis elegans, você não está sozinho! Caenorhabditis elegans, mais comumente conhecido como C. elegans, são vermes microscópicos que normalmente crescem até 1 mm de comprimento. C. elegans são naturalmente encontrados em todo o mundo em solos onde há vegetação podre. Se você estiver se sentindo corajoso, tente localizá-los no adubo caseiro da sua casa! Embora esses vermes sejam menos familiares ao público em geral, C. elegans são bem conhecidos pelos cientistas, pois o estudo desses pequenos vermes nos ensinou muito sobre doenças humanas.

Por que C. elegans é usado como modelo?

elegans foi isolado pela primeira vez em 1900 e, desde o final da década de 1960, tem sido usado para “modelar” doenças humanas. Isso ocorre porque C. elegans e humanos compartilham algumas características fisiológicas comuns e têm uma sobreposição significativa em seus códigos genéticos. O SCAsource publicou anteriormente um Saiba Mais em modelos de camundongos, amplamente utilizados na pesquisa de ataxia. Embora C. elegans não seja amplamente utilizado na pesquisa de ataxia, há muitas vantagens em usar C. elegans como modelo:

  • C. elegans é de manutenção barata, permitindo a triagem de milhares de medicamentos a um custo relativamente baixo. Uma vez administrados, os cientistas podem estudar os efeitos das drogas no movimento, desenvolvimento e função do sistema nervoso de C. elegans.
  • C. elegans é fácil de cultivar em laboratório.
  • C. elegans são hermafroditas auto-fertilizantes, o que significa que eles podem se reproduzir sem um parceiro sexual. Um único hermafrodita pode produzir de 300 a 350 filhotes por um período de três dias, permitindo que os cientistas estudem facilmente um grande número de vermes que possuem as mesmas características genéticas.
  • Os cientistas podem manipular facilmente o genoma de C. elegans para estudar muitas doenças humanas.
  • Como C. elegans é transparente, seus órgãos internos, incluindo o sistema nervoso, podem ser visualizados sem dissecção.

Como C. elegans pode ser usado para estudar a neurodegeneração?

O sistema nervoso de um C. elegans é composto de algumas centenas de neurônios, o que é relativamente simples comparado ao cérebro humano (que contém cerca de 86 bilhões de neurônios). Devido a essa simplicidade, os cientistas usaram C. elegans para desenvolver modelos para várias doenças neurodegenerativas, incluindo Alzheimer, Parkinson, ataxia de Friedreich e, mais recentemente, ataxia espinocerebelar do tipo III (SCA3). O modelo SCA3 C. elegans foi desenvolvido por um grupo de pesquisa em Portugal liderado pela Dra. Patrícia Maciel, e é o primeiro do gênero no campo da ataxia espinocerebelar. Esses vermes expressam a proteína humana que causa SCA3 em todos os seus neurônios, resultando em disfunção motora de início adulto que se assemelha ao que vemos em pacientes com SCA3.

uma imagem microscópica de neurônios em dois c. vermes elegans. Um é um neurônio suave e saudável. Um deles tem um neurônio danificado que tem uma ruptura nele.
Uma imagem de microscopia dos neurônios de C. elegans colorida em verde. Imagem cortesia de Kim Pho.

A neurodegeneração (dano / morte de neurônios) em C. elegans é monitorada marcando os neurônios com um marcador que brilha em verde sob um tipo específico de luz. A saúde dos neurônios é então avaliada, possibilitando determinar se a neurodegeneração ocorreu. A imagem acima mostra um neurônio saudável de C. elegans à esquerda, que parece intacto, comparado a um neurônio danificado de C. elegans, à direita, com uma ruptura (seta branca). Ser capaz de distinguir entre neurônios saudáveis ​​e danificados em C. elegans é muito útil, pois os cientistas podem usar essa ferramenta para testar diferentes maneiras de reparar ou proteger os neurônios. Se os cientistas forem capazes de retardar ou impedir a neurodegeneração em C. elegans, existe o potencial de que essa descoberta possa eventualmente ajudar a tratar a neurodegeneração humana também.

Espero que este breve resumo tenha lhe mostrado que existe um enorme potencial científico nesses minúsculos vermes! Compreender a biologia de C. elegans fornece informações sobre a biologia humana, como como ocorre a neurodegeneração e o que podemos fazer para impedi-la.

Se você quiser saber mais sobre os sistemas modelo da C. elegans, dê uma olhada no WormBook, Wormbase e WormAtlas.

Obrigado a Kim Pho, do laboratório do Dr. Lesley MacNeil da Universidade McMaster, por fornecer as imagens fluorescentes dos neurônios da C. elegans.

Saiba mais escrito por Katie Graham, editado pelo Dr. Lesley MacNeil, e traduzido para Português por Guilherme Santos, publicado inicialmente em: 03 de abril de 2020.

Snapshot: What are Caenorhabditis elegans models?

What are C. elegans?

If you read the title of this article and had no idea what Caenorhabditis elegans are, you are not alone! Caenorhabditis elegans, more commonly known as C. elegans, are microscopic worms that typically grow up to 1 mm in length. C. elegans are naturally found worldwide in soil where there is rotting vegetation. If you are feeling brave, you can try to locate them in your household compost! Although these worms are less familiar to the general public, C. elegans are well known to scientists, since studying these tiny worms has taught us a lot about human disease.

Why are C. elegans used as a model system?

C. elegans were first isolated in 1900 and, since the late 1960s, have been used to “model” human disease. This is because C. elegans and humans share some common physiological features and have a significant overlap in their genetic codes. SCAsource previously published a Snapshot on mouse models, which are widely used in ataxia research,. Although C. elegans are not used as widely in ataxia research, there are many advantages to using C. elegans as a model system:

  • C. elegans are inexpensive to maintain, allowing for the screening of thousands of drugs at a relatively low cost. Once administered, scientists can study the drugs’ effects on C. elegans movement, development, and nervous system function.
  • C. elegans are easy to grow in the laboratory.
  • C. elegans are self-fertilizing hermaphrodites, meaning that they can reproduce without a sexual partner. A single hermaphrodite can produce 300-350 offspring over a 3-day period, allowing scientists to easily study a large number of worms that have the same genetic characteristics.
  • Scientists can easily manipulate the genome of C. elegans to study many human diseases.
  • Because C. elegans are transparent, their internal organs, including the nervous system, can be imaged without dissection.

How can C. elegans be used to study neurodegeneration?

The nervous system of a C. elegans is made up of a few hundred neurons, which is relatively simple compared to the human brain (which contains about 86 billion neurons). Because of this simplicity, scientists have used C. elegans to develop models for several neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s, Parkinson’s, Friedreich’s ataxia and, more recently, spinocerebellar ataxia type III (SCA3). The SCA3 C. elegans model was developed by a research group in Portugal led by Dr. Patrícia Maciel, and it is the first of its kind in the spinocerebellar ataxia field. These worms express the human SCA3-causing protein in all their neurons, resulting in adult-onset motor dysfunction that resembles what we see in SCA3 patients.

a microscope image of neurons in two c. elegans worms. One is a smooth, healthy neuron. One has a damaged neuron that has a break in it.
A microscopy image of C. elegans neurons coloured green. Image courtesy of Kim Pho.

Neurodegeneration (damage/death of neurons) in C. elegans is monitored by tagging neurons with a marker that shines green under a specific type of light. The health of neurons is then assessed, making it possible to determine if neurodegeneration has occurred. The image above shows a healthy C. elegans neuron on the left, which appears intact, compared to a damaged C. elegans neuron on the right, which has a break (white arrowhead). Being able to distinguish between healthy and damaged neurons in C. elegans is very useful, as scientists can use this tool to test different ways of repairing or protecting neurons. If scientists are able to slow or prevent neurodegeneration in C. elegans, there is potential that such a discovery could eventually help treat human neurodegeneration, as well.

I hope this short summary has shown you that there is a massive amount of scientific potential in these tiny worms! Understanding the biology of C. elegans provides insight into human biology, like how neurodegeneration occurs and what we can do to stop it.

If you would like to learn more about C. elegans model systems, take a look at WormBook, Wormbase, and WormAtlas.

Thank you to Kim Pho from Dr. Lesley MacNeil’s lab at McMaster University for providing the fluorescent images of C. elegans neurons.

Snapshot written by Katie Graham and edited by Dr. Lesley MacNeil.