Brain-enriched plasma-derived extracellular vesicles as biomarkers for Machado-Joseph disease

Abstract

Machado-Joseph Disease (MJD), also known as Spinocerebellar Ataxia Type 3 (SCA3), is a devastating neurodegenerative disease. Although rare, is the most common autosomal dominantly inherited ataxia worldwide. It is caused by a genetic mutation in the coding region of the ATXN3 gene, consisting of an abnormal repetition of the CAG trinucleotide. This mutation leads to an abnormal form of the protein ataxin-3, with an expanded polyglutamine tract, that gains neurotoxic function and causes neuronal dysfunction and degeneration in multiple brain regions, particularly in the cerebellum. MJD is a progressive and disabling disease, causing premature death. To this date, no effective treatment has been developed. With potential therapies emerging, clinical trials are a major goal of MJD research. Therefore, molecular biomarkers for patient’s stratification, disease monitoring and therapy efficacy evaluation are a major need for the success of interventional studies. Extracellular vesicles (EVs) circulate through many bodily fluids, such as blood, and represent a source of enriched small RNAs that are pointed out as promising biomarker candidates. In this context, the main aim of this work was to identify brain miRNAs in plasma derived EVs as potential MJD biomarkers. For that purpose, we first identified potential brain miRNAs candidates in plasma-derived EV samples from MJD patients, by small RNA sequencing coupled with in silico analysis of brain miRNAs expression and pathways. Our data revealed that, when compared to healthy subjects, MJD patients have increased miRNA levels in plasma-derived EVs. EV-miRNAs expression profile was able to discriminate ataxic from pre-ataxic and healthy individuals. Moreover, we identify 13 dysregulated brain miRNAs in MJD EVs, which predicted targets are implicated in CNS related pathways. Two brain miRNAs, that we named miR-N2 and miR-Q, were then selected for validation by RT-qPCR. A significant correlation with clinical data was observed for these EV-miRNAs. Overall, this study suggests that brain miRNAs from plasma derived EVs are promising biomarkers for MJD.

A doença de Machado-Joseph (MJD), também conhecida como Ataxia Espinocerebelosa do Tipo 3, é uma doença neurodegenerativa devastadora que, embora rara, é a ataxia autossómica dominante mais comum do mundo. A doença é causada por uma mutação genética na região codificante do gene ATXN3, que consiste numa repetição anómala do trinucleótido CAG. Esta mutação traduz-se numa expansão de poliglutaminas na proteína ataxina-3 que ganha uma função neurotóxica e causa disfunção neuronal e degenerescência em várias regiões do cérebro, principalmente no cerebelo. A DMJ é uma doença progressiva e incapacitante que causa morte prematura e, até o momento nenhum tratamento eficaz foi desenvolvido. Com o surgimento de potenciais abordagens terapêuticas, os ensaios clínicos são um dos principais focos na investigação da doença. Assim, biomarcadores para estratificação de doentes, monitorização de progressão de doença e avaliação de eficácia de terapias são necessários para o sucesso dos estudos intervencionais. As vesículas extracelulares (VEs) circulam em diversos fluidos corporais, nomeadamente o sangue e representam uma fonte enriquecida em pequenos RNAs que são apontados como candidatos promissores a biomarcadores. O objetivo principal deste trabalho foi identificar miRNAs de origem cerebral em VEs derivadas de plasma (VE-miRNAs) como potenciais biomarcadores para a DMJ. Para tal, começámos por identificar potenciais candidatos por sequenciação de RNA em conjunto com uma abordagem in silico para análise de vias de sinalização. Os nossos dados revelaram que, quando comparados a indivíduos saudáveis, os doentes apresentavam níveis aumentados de VE-miRNAs. Para além disso, o perfil de expressão dos mesmos foi capaz de discriminar indivíduos atáxicos de indivíduos pré-atáxicos e saudáveis. Identificámos também 13 VE-miRNAs cerebrais desregulados MJD, cujos alvos previstos estão implicados em vias associadas ao sistema nervoso central. Dois desses miRNAs que denominámos de miR-N2 e miR-Q foram selecionados para validação por RT-qPCR. Uma correlação significativa entre os níveis de expressão desses miRNAs com dados clínicos foi observada. No geral, este estudo sugere que miRNAs cerebrais de EVs derivadas do plasma são biomarcadores promissores para a DMJ.