Unravelling the contribution of small non-coding RNAs to Huntington’s disease pathogenesis

Abstract

[eng] BACKGROUND AND OBJECTIVES: Huntington's disease (HD) is an autosomal dominant neurodegenerative disease caused by an abnormal expansion in the number of CAG triplets located at exon 1 of the huntingtin gene (HTT), resulting in an expanded portion of glutamines (polyQ) in a region near the amino terminal end of the HTT protein (The Huntington's Disease Collaborative Research Group, 1993). This expansion contributes to the formation of an aberrant and misfolded protein that has been associated with aggregation and toxicity (Labbadia & Morimoto, 2013), both of which are mechanisms that have been implicated in multiple neurological disorders. In addition, although this mutation is ubiquitous in all cells of the body, selective vulnerability has been described on the part of medium-sized spinous neurons (MSNs) located in the striatum nucleus, formed by the caudate and putamen in humans (Vonsattel et al., 1985). These striatal MSNs can be classified into two types depending on the receptors they express and the brain areas they project to (Gerfen et al., 1990), forming the direct and indirect pathways of the basal ganglia. The correct balance of signaling between these pathways is what allows the voluntary control of movements, so that striatal atrophy, preferably of the indirect pathway at the beginning, during the progression of the disease leads to an alteration in the circuits giving rise to the motor symptoms characteristic of HD (Albin et al., 1989). To date, most of the research on the molecular mechanisms involved in the pathophysiology of HD has focused on the alterations caused by the mutated protein (Zuccato et al., 2010). However, in recent years, it has been observed that the toxicity generated by the mutated protein coexists with RNA-mediated pathogenic mechanisms, which can be subdivided into those associated with expanded RNA with CAG repeats and those related to other non-coding RNAs. On the one hand, it has been observed that RNA with CAG triplet expansion can exert its toxicity through multiple mechanisms (Heinz et al., 2021; Malik et al., 2021; Martí, 2016). Among them, we find the formation of short-sized RNAs (21 nt) with CAG repeats (sCAG) through Dicer, whose levels are dependent on the length of triplet expansion (Bañez-Coronel et al., 2012). These species have gene silencing capacity in such a way that they have been associated with transcriptomic alterations and can affect neuronal viability per se (Bañez-Coronel et al., 2012). In addition, our group has also described that its effects can be partially reversed with the use of a modified antisense oligonucleotide, targeting CAG repeats (LNA-CTG), producing a recovery of motor function and levels of multiple striatal markers in a murine model of HD (Rué et al., 2016). On the other hand, in recent years, different mechanisms of RNA toxicity involving multiple biotypes of non-coding RNAs have also been described sRNA, <200 nt), such as microRNAs (miRNA), ribosomal RNAs (rRNA) or transfer RNAs (tRNAs), which have also been clearly associated with the regulation of gene expression, among many other functions (Cech & Steitz, 2014). At the same time, it has been observed that in the context of HD there is significant transcriptomic dysregulation in different brain regions (Martí et al., 2010), pointing to a possible role of sRNAs in the pathophysiology of HD. In addition, although the canonical function described by tRNAs is based on allowing the synthesis of proteins in the ribosome by decoding information at the mRNA level, implications of tRNAs in other biological processes such as cell signaling and survival, apoptosis, amino acid metabolism or even in stress response programs have also been described (Raina & Ibba, 2014). Specifically, many of these functions have been attributed to fragments derived from these tRNAs (tsRNAs), some of which are constitutive components of all cells, while others only occur in situations of cellular stress (Anderson & Ivanov, 2014) and have been related to different pathological situations such as cancers, infections and different paradigms of neurodegeneration (R. Magee & Rigoutsos, 2020). Based on the bibliographic information presented, our hypothesis is that the pathogenic mechanisms caused by RNA, and specifically sRNA, are much more involved than previously thought in HD and that their study becomes of high importance both to understand the pathophysiological bases of HD and to develop new therapies. Therefore, the main objective of this project was to identify new species of sRNA involved in the pathogenic mechanisms of HD and determine their contribution to the alterations characteristic of this pathology.

[cat] ANTECEDENTS I OBJECTIUS: La malaltia de Huntington (MH) és una malaltia neurodegenerativa d’herència autosòmica dominant causada per una expansió anormal en el nombre de triplets CAG localitzats a l’exó 1 del gen de la huntingtina (HTT), donant lloc a una porció expandida de glutamines (polyQ) en una regió pròxima a l’extrem amino terminal de la proteïna HTT (The Huntington’s Disease Collaborative Research Group, 1993). Aquesta expansió contribueix a la formació d’una proteïna aberrant i mal plegada que s’ha associat amb l’agregació i la toxicitat (Labbadia & Morimoto, 2013), els quals són mecanismes que s’han implicat en múltiples desordres neurològics. A més, tot i que aquesta mutació es troba de forma ubiqua a totes les cèl·lules del cos, s’ha descrit una vulnerabilitat selectiva per part de les neurones espinoses de mida mitjana (MSNs) localitzades al nucli estriat, format pel caudat i el putamen en els humans (Vonsattel et al., 1985). Aquestes MSNs estriatals es poden classificar en dos tipus en funció dels receptors que expressen i de les àrees cerebrals a les que projecten (Gerfen et al., 1990), formant la via directa i la via indirecta dels ganglis basals. El correcte equilibri de senyalització entre aquestes vies és el que permet el control voluntari dels moviments de manera que l’atròfia estriatal, preferentment de la via indirecta a l’inici, durant la progressió de la malaltia comporta una alteració en els circuits donant lloc a la simptomatologia motora característica de la MH (Albin et al., 1989). Fins a data d’avui, la major part de la recerca sobre els mecanismes moleculars implicats en la fisiopatologia de la MH s’ha centrat en les alteracions causades per la proteïna mutada (Zuccato et al., 2010). Tot i això, en els últims anys, s’ha observat que la toxicitat generada per la proteïna mutada coexisteix amb mecanismes patogènics mediats per RNA, els quals es poden subdividir en aquells associats a l’RNA expandit amb repeticions CAG i aquells relacionats amb altres RNAs no codificants. Per una banda, s’ha observat que l’RNA amb expansió de triplets CAG pot exercir la seva toxicitat a través de múltiples mecanismes (Heinz et al., 2021; Malik et al., 2021; Martí, 2016). Entre ells, trobem la formació de RNAs de mida curta (21 nt) amb repeticions CAG (sCAG) a través de Dicer, els nivells dels quals són dependents de la llargada de l’expansió de triplets (Bañez-Coronel et al., 2012). Aquestes espècies tenen capacitat de silenciament gènic de manera que s’han associat a alteracions transcriptòmiques i poden afectar la viabilitat neuronal per se (Bañez-Coronel et al., 2012). A més, el nostre grup també ha descrit que els seus efectes es poden revertir parcialment amb l’ús d’un oligonucleòtid anti-sentit modificat, dirigit a les repeticions CAG (LNA-CTG), produint una recuperació de la funció motora i dels nivells de múltiples marcadors estriatals en un model murí de la MH (Rué et al., 2016). Per altra banda, en els últims anys també s’han descrit diferents mecanismes de toxicitat a través d’RNA implicant múltiples biotipus d’RNAs no codificants de mida curta (sRNA, <200 nt), com per exemple els microRNAs (miRNA), els RNAs ribosomals (rRNA) o els RNAs de transferència (tRNA), els quals també s’han associat de forma clara amb la regulació de l’expressió gènica, entre moltes altres funcions (Cech & Steitz, 2014). En paral·lel, s’ha observat que en el context de la MH existeix una important desregulació transcriptòmica en diferents regions cerebrals (Martí et al., 2010), apuntant a un possible paper dels sRNA en la fisiopatologia de la MH. A més, tot i que la funció canònica descrita dels tRNA es basa en permetre la síntesi de proteïnes al ribosoma descodificant la informació a nivell de mRNA, també s’han descrit implicacions dels tRNA en altres processos biològics com la senyalització i la supervivència cel·lular, l’apoptosi, el metabolisme dels aminoàcids o, fins i tot, en programes de resposta a estrès (Raina & Ibba, 2014). Concretament, moltes d’aquestes funcions s’han atribuït a fragments derivats d’aquests tRNA (tsRNA), alguns dels quals són components constitutius de totes les cèl·lules, mentre que d’altres només es produeixen en situacions d’estrès cel·lular (Anderson & Ivanov, 2014) i s’han relacionat amb diferents situacions patològiques com ara càncers, infeccions i diferents paradigmes de neurodegeneració (R. Magee & Rigoutsos, 2020). Basant-nos en la informació bibliogràfica exposada, la nostra hipòtesi és que els mecanismes patogènics causats per RNA, i específicament sRNA, estan molt més implicats del que es pensava en la MH i que el seu estudi esdevé d’alta importància tant per entendre les bases fisiopatològiques de la MH com per desenvolupar noves teràpies. Per tant, el principal objectiu d’aquest projecte va ser identificar noves espècies de sRNA implicades en els mecanismes patogènics de la MH i determinar la seva contribució a les alteracions característiques d’aquesta patologia.