Escrito por la Dra. Hannah Shorrock Editado por la Dra. Larissa Nitschke. Publicado inicialmente en el 7 de mayo de 2021. Traducción al español fueron hechas por FEDAES y Carlos Barba.
Pastor y sus colegas identifican pequeñas moléculas aprobadas por la FDA que reducen selectivamente la proteína tóxica expandida con poliglutamina en SCA6.
Apuntar selectivamente a los genes que causan enfermedades sin alterar las funciones celulares es esencial para el desarrollo exitoso de la terapia. En la ataxia espinocerebelosa tipo 6 (SCA6), lograr esta selectividad es particularmente complicado ya que el gen que causa la enfermedad produce dos proteínas que contienen un tracto de poliglutamina expandido. En este estudio, Pastor y sus colegas identificaron varias moléculas pequeñas aprobadas por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) que reducen selectivamente los niveles de una de estas proteínas que contienen poliglutamina sin afectar los niveles de la otra proteína, que es esencial para la función normal del cerebro. Mediante el uso de medicamentos ya aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos Para tratar otras enfermedades, conocidas como medicamentos aprobados por la FDA, el equipo espera reducir el período de tiempo para el desarrollo de la terapia preclínica.
SCA6 es una ataxia autosómica dominante que causa un deterioro progresivo del movimiento y la coordinación. Esto se debe a la disfunción y muerte de las células cerebrales, incluidas las neuronas de Purkinje en el cerebelo . SCA6 es causada por una expansión de repetición CAG en el gen CACNA1A. CACNA1A codifica dos proteínas: la subunidad a1A, la principal subunidad formadora de poros del canal de iones de calcio dependiente de voltaje de tipo P / Q , así como un factor de transcripción llamado a1ACT.
La subunidad a1A es esencial para la vida. Su función se ve menos afectada por la presencia del tracto de poliglutamina expandido que la de a1ACT. El factor de transcripción, a1ACT, controla la expresión de varios genes implicados en el desarrollo de las células de Purkinje. La expresión de la proteína a1ACT que contiene un tracto de poliglutamina expandido en ratones causa atrofia y ataxia cerebelosa. Si bien la reducción de los niveles de la subunidad a1A puede tener poco efecto sobre la enfermedad de SCA6 pero afectar la función normal de las células cerebrales, la reducción de los niveles de a1ACT puede mejorar la enfermedad en SCA6. Por lo tanto, Pastor y sus colegas decidieron probar la hipótesis de que la reducción selectiva de los niveles de la proteína a1ACT sin afectar los niveles de la proteína a1A puede ser un enfoque terapéutico viable para SCA6.
Mediante el uso de medicamentos ya aprobados por la FDA, el equipo espera reducir el período de tiempo para el desarrollo de la terapia preclínica. Foto utilizada bajo licencia por Wanchana Phuangwan / Shutterstock.com .
Escrito por la Dra. Ambika Tewari Editado por la Dra. Hayley McLoughlin. Publicado inicialmente en el 6 de agosto de 2021. Traducción al español fueron hechas por FEDAES.
La expresión lentiviral de un ARNhc contra ataxina-3 fue bien tolerada y no produjo efectos adversos medibles en ratones de tipo salvaje.
La evaluación del perfil de seguridad es un paso necesario y crucial para calificar una terapia para su uso en pacientes. La terapia génica es una técnica experimental que ha demostrado un enorme progreso en el tratamiento o la reversión de una enfermedad, específicamente los trastornos monogénicos.
Es importante investigar con detenimiento la seguridad y la tolerancia de la terapia génica para evaluar su idoneidad para los ensayos clínicos. Las herramientas de terapia génica se pueden utilizar de diferentes maneras para lograr el mismo efecto terapéutico: el gen defectuoso se puede reemplazar con una copia sana, el gen mutado se puede reparar o la copia mutante del gen se puede silenciar.
La ataxia espinocerebelosa tipo 3 (SCA3) o enfermedad de Machado-Joseph (MJD) causa una pérdida progresiva de neuronas en la médula espinal y en varias regiones del cerebro. Esto incluye el cerebelo, tronco encefálico, cuerpo estriado y sustancia negra. Estas neuronas tienen funciones cruciales. Sin estas neuronas, los pacientes experimentan descoordinación motora, pérdida del equilibrio y, en casos graves, muerte prematura.
Si bien se sigue logrando un gran progreso en la comprensión de cómo una mutación en un solo gen, Ataxin-3, causa los síntomas de SCA3, todavía no existe un tratamiento para detener la progresión de la enfermedad. Como trastorno monogénico, SCA3, al igual que otras ataxias espinocerebelosas (SCA), es un candidato prometedor para la terapia génica. Si bien aún no existen terapias génicas aprobadas para la SCA, existen varios laboratorios de investigación y empresas que trabajan para lograr este objetivo.
Este es un momento verdaderamente emocionante para la terapia génica, pero también es importante mantener la seguridad de los pacientes como una prioridad absoluta. Foto utilizada bajo licencia por Visual Generation / Shutterstock.com .
Los investigadores de este estudio han estado trabajando en la terapia génica para SCA3 desde 2008. Han investigado cómo la terapia génica podría ofrecer protección contra una mayor disminución, en varios modelos de células y ratones de SCA3. Utilizaron un enfoque en el que disminuyeron los niveles del gen Ataxin-3 mutante mientras dejaban intacto el gen Ataxin-3 normal. Esto se conoce como focalización específica de alelos. Demostraron que utilizando esta técnica, podrían reducir significativamente los cambios de comportamiento y neuropatológicos que ocurren en ratones SCA3. Los ratones tratados con la terapia génica mostraron mejoras en su equilibrio y coordinación motora.
La terapia génica en su forma más básica involucra dos componentes, el gen que reemplazará o eliminará el gen enfermo y un vector que transportará este nuevo gen a su sitio de acción. Los vectores más comúnmente utilizados en la actualidad son los virus adenoasociados (AAV) seguidos por los retrovirus. Estos virus se han diseñado específicamente para llevar a su pasajero a la ubicación especificada. Si bien ambos vectores han pasado por varios años de pruebas preclínicas y clínicas para numerosos candidatos a terapia génica, quedan preguntas sobre su seguridad. (1) ¿El producto de terapia génica continúa expresándose en el área objetivo a largo plazo? (2) Si hay expresión a largo plazo, ¿causa algún efecto adverso mensurable en el área objetivo? (3) ¿La expresión a largo plazo afecta el funcionamiento normal de las células / órganos diana?
En este estudio actual, los investigadores probaron sistemáticamente la seguridad de reducir los niveles de Ataxin-3 mutante específicamente en el cuerpo estriado de ratones adultos de tipo salvaje. El gen, un ARN en horquilla corto (ARNhc) que reduce el nivel de la proteína ataxina-3 mutante, se empaquetó en un vector. El vector utilizado en este estudio es un lentivirus. Este es un tipo de retrovirus que infecta las células que no se dividen, como las neuronas del cerebro. Por lo tanto, cuando el vector lentivirus se inyecta en el cerebro, transporta su carga de ARNhc a las neuronas.
Como control experimental, este estudio utilizó tanto ratones que no fueron inyectados como ratones inyectados con una sustancia inerte en las mismas dos ubicaciones que el shRNA. Dado que los ratones de tipo salvaje no expresan ataxina-3 mutada, este estudio solo analiza los efectos a largo plazo de expresar el lentivirus con el ARNhc.
En tres puntos de tiempo diferentes (2, 8 y 20 semanas después de la inyección o administración del vector y su carga de ARNhc) se sacrificaron los ratones. Luego, se recolectaron y analizaron sus cerebros. Una característica importante de cualquier producto de terapia génica es su perfil de expresión. Esto incluye información como su distribución tisular hasta la duración de su expresión. El ARNhc contra la ataxina-3 mutante contenía un informador. Este informe permitiría identificar cualquier célula con ARNhc al final del estudio en vida. Los cerebros se seccionaron en rodajas muy delgadas para que las proteínas específicas de las células pudieran marcarse con el uso de anticuerpos. A las 2 semanas, algunas células expresaron la proteína informadora, y la expresión aumentó progresivamente a las 8 semanas e incluso más a las 20 semanas después de la entrega del gen. Estos datos mostraron una expresión estable y a largo plazo del ARNhc.
Una preocupación en la terapia génica es si la expresión a largo plazo del gen puede inducir consecuencias desfavorables para las células del cerebro. Usando anticuerpos para marcar las proteínas neuronales, los autores encontraron que, si bien 2 semanas después de la inyección había una pérdida clara de neuronas en el lugar de la inyección, en los puntos de tiempo posteriores, esta pérdida ya no era aparente. Los autores del estudio propusieron que esta recuperación podría deberse al nacimiento de nuevas neuronas y / o al proceso de brote neuronal donde las neuronas generan ramas adicionales que hacen contacto con las neuronas vecinas.
Un factor limitante importante para la terapia génica es la respuesta inmune del huésped, que se activa cuando el cuerpo ve al nuevo vector como un invasor extraño. En este estudio, los investigadores observaron señales inflamatorias en el cerebro. La microglía y los astrocitos son dos tipos de células en el cerebro que se activan tras una lesión e inflamación. La actividad astrocítica y microglial aumentó poco después de la inyección solo en animales donde se inyectó el ARNhc contra la ataxina-3 mutante. A las 8 y 20 semanas, sus niveles volvieron a los niveles observados en los ratones no inyectados. Un tipo especial de proteínas inflamatorias, conocidas como citocinas, se elevaron después de la inyección, pero también volvieron a los niveles de control a las 20 semanas. Juntos, los resultados mostraron que incluso cuando la inflamación se desencadenó al principio del curso de la terapia, se disipó,
Este fue un estudio cuidadosamente realizado para evaluar el perfil de seguridad de un candidato a terapia génica para SCA3. En su estudio anterior de prueba de concepto, los autores demostraron que la reducción de los niveles de Ataxin-3 mutante mejoró varias características anormales en modelos de ratón SCA3. Este estudio actual muestra que el uso de este agente terapéutico en ratones de tipo salvaje es seguro hasta 20 semanas después de la administración de la terapia génica. Si bien este estudio utilizó una inyección localizada del agente de terapia génica solo en el cuerpo estriado, varias regiones del cerebro se ven afectadas en SCA3. Es necesario un estudio adicional que utilice una ruta de administración que se dirija a múltiples regiones del cerebro para evaluar el perfil de seguridad.
Son necesarios estudios futuros para caracterizar el perfil de expresión y la seguridad en primates no humanos. La vía de administración sería similar a la de los pacientes humanos, lo que permitiría que los resultados fueran más traducibles para ensayos clínicos. Este es un momento verdaderamente emocionante para la terapia génica, pero también es importante mantener la seguridad de los pacientes como una prioridad absoluta.
Términos clave
Gen: una unidad de la herencia que contiene nuestro ADN, el código que controla el desarrollo y la función de nuestro cuerpo.
Monogénico: trastorno o enfermedad involucrada o controlada por un solo gen.
Vector: un modo de transporte para llevar material genético extraño a otra célula.
ARN: ácido nucleico que transporta instrucciones del ADN para producir proteínas.
ARN en horquilla corta: un tipo de ARN plegado en una estructura en horquilla que puede apuntar a los genes y silenciarlos.
Declaración de conflicto de intereses
El autor y el editor declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Cita del artículo revisado
Nóbrega, C, et al. RNA interference therapy for Machado-Joseph Disease: Long-term safety profile of lentiviral vectors encoding short hairpin RNAs targeting mutant Ataxin-3. Human Gene Therapy, 2019. 30:7 https://doi.org/10.1089/hum.2018.157
This is a group picture of the Cvetanovic Lab from 2021. Back Row from the left to right: Katherine Hamel, Alyssa Soles, Marija Cvetanovic (PI), Austin Dellafosse, Kaelin Sbrocco, and Carrie Sheeler. Front Row from left to right: Laurel Schuck, Ella Borgenheimer, Genevieve Benjamin, Juao-Guilherme Rosa, and Fares Ghannoum. Not Pictured: Stephen Gilliat.
Research Focus
What is your research about?
The human brain is made up of many different types of cells. Each of them has slightly different roles in a healthy brain. The goal of our research is to understand how SCA1 makes these different cells sick in different ways. We want to check if different parts of the brain show distinct or unique changes because of SCA1.
We are also interested in identifying which physical changes in the brain lead to specific SCA1 symptoms. We do a lot of our research on a specific type of brain cell called glial cells.
Why do you do this research?
Most brain research focus on neurons. But 50% of the cells in your brain aren’t neurons, they are glial cells! Glial cells help support and regulate neuronal activity, but they often get overlooked. But more scientists like us are researching glial cells. They do a lot for your brain.
If we want to develop successful therapies for SCA1, we need to understand how glial cells are impacted. Without that knowledge, we will not have the full picture. That’s why we do this work.
Fun Fact
We have a number of fluffy companions in our lab. Please check the Creative Catalysts page of our Lab Website for pictures!
Written by Dr. Ambika Tewari Edited by Dr. Hayley McLoughlin
Lentiviral expression of an shRNA against ataxin-3 was well-tolerated and produced no measurable adverse effects in wild-type mice.
Evaluating the safety profile is a necessary and crucial step in qualifying a therapy for use in patients. Gene therapy is an experimental technique that has demonstrated tremendous progress in the treatment or reversal of a disease, specifically monogenic disorders. Carefully investigating the safety and tolerance of gene therapy is important to gauge its suitability for clinical trials. Gene therapy tools can be used in different ways to achieve the same therapeutic effect: the faulty gene can be replaced with a healthy copy, the mutated gene can be repaired, or the mutant copy of the gene can be silenced. You can learn more about gene therapy in this pat SCAsource Snapshot.
Spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) or Machado-Joseph disease (MJD) causes progressive loss of neurons in the spinal cord, and several regions of the brain. This includes the cerebellum, brainstem, striatum and substantia nigra. These neurons have crucial functions. Without these neurons, patients experience motor incoordination, loss of balance, and in severe cases, premature death. While great progress continues to be made in understanding how a mutation in a single gene, Ataxin-3, causes the symptoms of SCA3, there is still no treatment to stop the disease progression. As a monogenic disorder, SCA3, like other Spinocerebellar ataxias (SCA), is a promising candidate for gene therapy. While there are no approved gene therapies for SCA yet, there any several research labs and companies working towards achieving this goal.
This is truly an exciting time for gene therapy, but it is also important to keep the safety of patients a top priority. Photo used under license by Visual Generation/Shutterstock.com.
The researchers in this study have been working on gene therapy for SCA3 since 2008. They have researched how gene therapy could offer protection against further decline, in several cell and mouse models of SCA3. They used an approach where they decreased the levels of the mutant Ataxin-3 gene while leaving the normal Ataxin-3 gene intact. This is known as allele-specific targeting. They demonstrated that using this technique, they could significantly reduce the behavioral and neuropathological changes that occur in SCA3 mice. Mice treated with the gene therapy showed improvements in their balance and motor coordination.
Gene therapy in its most basic form involves two components, the gene that will replace or remove the diseased gene and a vector that will transport this new gene to its site of action. The most commonly used vectors today are adeno-associated virus (AAVs) followed by retrovirus. These viruses have been specifically engineered to deliver their passenger to the specified location. While both vectors have been through several years of preclinical and clinical testing for numerous gene therapy candidates, there are questions that remain regarding their safety. (1) Does the gene therapy product continue to be expressed in the targeted area long-term; (2) If there is long-term expression does it cause any adverse measurable effects to the targeted area; (3) Does the long-term expression affect the normal functioning of the targeted cells/organ.
Written by Dr. Hannah Shorrock Edited by Dr. Hayley McLoughlin
Nitschke and colleagues identify a microRNA that regulates ataxin-1 levels and rescues motor deficits in a mouse model of SCA1
What if you could use systems already in place in the cell to regulate levels of toxic proteins in disease? This is the approach that Nitschke and colleagues took to identify the cellular pathways that regulate ataxin-1 levels. Through this strategy, the group found a microRNA, a small single-stranded RNA, called miR760, that regulates levels of ataxin-1 by directly binding to its mRNA and inhibiting expression. By increasing levels of miR760 in a mouse model of SCA1, ataxin-1 protein levels decreased and motor function improved. This approach has the potential to identify possible therapies for SCA1. It may also help identify disease-causing mutations in ataxia patients with unknown genetic causes.
Spinocerebellar Ataxia type 1 (SCA1) is an autosomal dominant disease characterized by a loss of coordination and balance. SCA1 is caused by a CAG repeat expansion in the ATXN1 gene. This results in the ataxin-1 protein containing an expanded polyglutamine tract. With the expanded polyglutamine tract, ataxin-1 is toxic to cells in the brain and leads to dysfunction and death of neurons in the cerebellum and brainstem.
As with all protein-coding genes, surrounding the protein coding region of ATXN1 gene are the 5’ (before the coding sequence) and 3’ (after the coding sequence) untranslated regions (UTRs). These regions are not translated into the final ataxin-1 protein product but are important for the regulation of this process. Important regulation factors called enhancers and repressors of translation located in 5’ and 3’ UTRs. ATXN1 has a long 5’ UTR. Genes that require fine regulation, such as growth factors, are often found to have long 5’ UTRs: the longer a 5’ UTR, the more opportunity for regulation of gene expression. The group, therefore, tested the hypothesis that the 5’ UTR is involved in regulating the expression of ataxin-1.
In their initial studies, Nitschke and colleagues identified that the ATXN1 5’UTR is capable of reducing both protein and RNA levels when placed in front of (5’ to) a reporter coding sequence. One common mechanism through which this regulation of gene expression could be occurring is the binding of microRNAs, or miRNAs, to the ATXN1 5’UTR. miRNAs are short single-stranded RNAs that form base pairs with a specific sequence to which the miRNA has a complementary sequence; this leads to regulation of expression of the mRNA to which the miRNA is bound.
Artist drawing of single-stranded RNA. Photo used under license by nobeastsofierce/Shutterstock.com.
Using an online microRNA target prediction database called miRDB, the group identified two microRNAs that could be responsible for these changes in gene expression through binding to the ATXN1 5’ UTR. By increasing the expression of one of these microRNAs, called miR760, ataxin-1 protein levels were reduced in cell culture. Conversely, using a miR760 inhibitor so that the miRNA could not perform its normal functions led to increased levels of ataxin-1. Together this shows that miR760 negatively regulates ataxin-1 expression.
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