MicroRNA profiling in human cell-based models of Machado-Joseph disease

Abstract

A doença de Machado-Joseph (DMJ), também conhecida como Ataxia Espinocerebelar do tipo 3, faz parte do grupo de doenças de poliglutaminas (polyQ) e é a forma de ataxia autossómica dominante mais comum. Apesar de ser considerada uma doença rara a nível mundial, revela-se bastante frequente em Portugal, especialmente na Ilha dos Açores. A DMJ é causada por uma mutação de expansão de CAGs no gene mjd1/atxn3, que codifica para um trato de poliglutaminas na respetiva proteína ataxina-3 (ATXN3). A forma mutada da proteína possui uma maior tendência para agregar e acumular em inclusões neuronais intranucleares em regiões cerebrais como o cerebelo, tronco cerebral, substantia nigra e medula espinal, despoletando degeneração neuronal e disfunção de vários mecanismos celulares, como clivagem proteolítica, desregulação transcricional, e disfunção de vias de controlo de qualidade proteica, entre outros. Nesta doença de início tardio, os indivíduos afetados exibem instabilidade postural e deficiência da marcha, que evolui progressivamente para perda total do controlo corporal. Esta doença severamente incapacitante e fatal permanece incurável, e terapias para cessar a progressão da doença continuam a ser ineficazes.Nos últimos anos, os miRNAs têm sido identificados como desregulados e diferencialmente expressos numa grande variedade de doenças neurodegenerativas, incluindo doenças de poliglutaminas, e particularmente em DMJ. Os miRNAs são pequenas moléculas de RNA reguladoras, não codificantes, que controlam a expressão génica por ligação direta ao mRNA, resultando numa inibição da tradução. Estas moléculas têm sido descritas como mediadoras de vias patogénicas e biomarcadores de progressão de doença. Ao avaliar o perfil de expressão de miRNAs desregulados nesta doença, esperamos desvendar uma nova via terapêutica possível para o tratamento de DMJ.Tendo isto em consideração, neste trabalho procurámos identificar miRNAs diferencialmente expressos em modelos celulares de DMJ, baseados em células estaminais pluripotentes induzidas humanas (hiPSCs), de forma a potencialmente desenvolver uma estratégia terapêutica com recurso a miRNAs para esta doença. Linhas celulares de células estaminais pluripotentes induzidas derivadas de dadores saudáveis e de doentes de DMJ foram diferenciadas em células de linhagem cerebelar, de modo a obter um modelo celular da doença. O RNA total incluindo miRNAs foi extraído a partir dessas células e os níveis de expressão de miRNAs foram avaliados para identificar miRNAs possivelmente desregulados em progenitores cerebelares derivados de iPSCs de doentes.

Machado-Joseph disease (MJD), also defined as Spinocerebellar Ataxia type 3 (SCA3), is part of the polyglutamine diseases (polyQ diseases) group and is the most common autosomal, dominantly inherited form of ataxia. Although being a rare disease worldwide, it reaches its highest prevalence in Portugal, especially in Azores Island. MJD is caused by a CAG expansion mutation in the mjd1/atxn3 gene, that encodes for a polyglutamine tract in the respective protein ataxin-3 (ATXN3). The mutated form of the protein has a higher tendency to aggregate and accumulate as neuronal intranuclear inclusions (NII) in selective brain regions such as the cerebellum, brainstem, substantia nigra and spinal cord, thus triggering neuronal degeneration and dysfunction of several cellular mechanisms, such as proteolytic cleavage, transcriptional dysregulation, and protein quality control pathways, among others. In this late-onset disorder, patients exhibit postural instability and gait impairment, that progressively evolves to complete lack of body movement control. This severely disabling and fatal disease is still uncurable, and therapies to halt disease progression remain ineffective.In the last few years, microRNAs (miRNAs) were shown to be dysregulated and differentially expressed in a wide variety of neurodegenerative disorders, including polyQ diseases, and particularly in MJD. miRNAs are small non-coding regulatory RNA molecules, that control gene expression by directly binding to mRNA, resulting in translation inhibition. These molecules have been described both as mediators of pathogenic pathways and biomarkers of disease progression. By assessing the expression profile of the dysregulated miRNAs in this disease, we expect to uncover a new possible therapeutic intervention towards MJD treatment.Taking this into account, in this work we aimed at identifying differentially expressed miRNAs in human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-based models of MJD, in order to potentially develop a miRNA-based therapeutic strategy for this disease. iPS cell lines from healthy donors and MJD patients were used and induced to differentiate towards cerebellar progenitors to generate human cell-based models of MJD. Total RNA extraction, including miRNAs, was performed in these cells and miRNA expression levels were assessed to identify possibly dysregulated miRNAs in MJD hiPSCs-derived cerebellar progenitors.