Serotonergic signaling modulation as a therapeutic strategy for Machado-Joseph disease: finding the molecular traits

Abstract

A doença de Machado-Joseph (DMJ) é uma doença autossómica dominante incurável, de início tardio. Caracteriza-se por uma expansão de repetições do tripleto CAG no gene MJD1/ATXN3, que origina proteínas com conformação nativa alterada, promovendo agregação e perda neuronal. É uma doença incapacitante, tendo grande impacto económico e social, sendo urgente o desenvolvimento de terapias. Nesta tese, procurámos estudar o potencial terapêutico da modulação da sinalização serotoninérgica pelo citalopram, um inibidor seletivo da recaptação da serotonina (ISRS), e dos seus mecanismos de ação na DMJ. Investigou-se se o tratamento com citalopram iniciado pós-sintomaticamente seria eficaz em ratinhos transgénicos da DMJ. Observámos que este melhorou a função motora, apesar deste ser menos eficaz que o tratamento pré-sintomático, mostrando impacto limitado na agregação da ATXN3 e na neuroproteção. Para identificar determinantes moleculares subjacentes à supressão da proteotoxicidade via sinalização serotoninérgica, foi realizada uma análise transcriptómica no estriado de ratinhos CMVMJD135 tratados pré-sintomaticamente. Verificou-se uma alteração na sinalização serotoninérgica neste modelo, envolvendo o receptor 5-HT1A e respetivas vias de sinalização, incluindo a proteína de ligação ao elemento de resposta cAMP - CREB, que poderá ser relevante na patogénese e no tratamento desta doença. Também se observou que o citalopram altera os níveis de expressão de genes relacionados com o controlo de qualidade proteico (CQP) e vias auxiliares (ex., degradação, manutenção da conformação e resposta antioxidante), melhorando a homeostase proteica. Estes dados foram corroborados num modelo genético em C. elegans com neurotransmissão serotoninérgica aumentada, via ablação do transportador de serotonina mod-5 em nematodes que expressam a ATXN3 mutante. Foi observada uma recuperação total do perfil transcriptómico dos animais mutantes, confirmando-se este gene como um modificador genético da DMJ em C. elegans. Demonstrou se ainda a ativação de respostas de defesa e de CQP (ex., via lisossomal e autofagia) nestes animais duplos mutantes, incluindo algumas vias comuns a animais com longevidade aumentada. Resumindo, demonstrou-se que a modulação serotoninérgica foi protetora na DMJ mesmo após início dos sintomas, constituindo o citalopram uma estratégia promissora a ser avaliada em ensaios clínicos humanos. Este trabalho também levantou a hipótese duma alteração na transmissão serotoninérgica na DMJ e apontou vias candidatas que contribuem para o efeito benéfico da modulação desta sinalização em contrabalançar os efeitos proteotóxicos mediados pela ATXN3 mutante.

Machado-Joseph disease (MJD) is an autosomal dominantly inherited late onset disorder with no disease-modifying treatment available. It is characterized by an expansion of the CAG repeat in the MJD1/ATXN3 gene, triggering the appearance of misfolded protein species, leading to aggregation and neuronal loss. It is an incapacitant disease, requiring full-time care of the patient, with consequent strong economic and social impact, being urgent to find to new therapies to improve patients’ quality of life. In this thesis, we aimed at further addressing the therapeutic potential of serotonergic signaling modulation by citalopram treatment, a selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI), and to uncover its mechanism(s) of action in MJD. We investigated whether post-symptomatic citalopram treatment initiation in MJD transgenic mice would show efficacy. We observed that it still improved motor behavior, although not as strongly as pre-symptomatic treatment, with limited impact on ATXN3 aggregation and neuroprotection. To find the molecular determinants underlying serotonergic signaling-mediated suppression of proteotoxicity, a transcriptomic analysis of the striatum of pre-symptomatically citalopram and vehicle-treated MJD mice was performed. Results indicated that serotonergic signaling is altered in MJD mice and that the serotonin 5-HT1A receptor and its signal-transduction pathways, including the cAMP response element-binding protein (CREB) transcription factor, could be relevant in MJD pathogenesis and treatment. It showed that citalopram can alter the levels of several protein quality control (PQC)-related genes and auxiliary pathways (e.g., degradation, folding, and antioxidant response), enhancing proteostasis capacity. This was further confirmed by RNA-sequencing of a genetic C. elegans model of increased serotonergic neurotransmission, in which the serotonin transporter mod-5 was ablated in the background of MJD pathology, mimicking citalopram action. This ablation rescued the transcriptomic profile of mutant ATXN3 animals, establishing mod-5 as genetic modifier of MJD in C. elegans. Activation of defense responses and PQC-related machinery (e.g., lysosomal pathway and autophagy) were observed in double mutant animals, a subset of which are also found in long-lived animals. In summary, this work demonstrated that modulation of serotonergic signaling protected against MJD pathogenesis even after symptom onset, evidencing citalopram as a promising therapeutic compound to be evaluated in human clinical trials. It also raised the hypothesis of an altered serotonergic transmission in the disease and suggested candidate pathways which contribute to the beneficial effect of serotonergic signaling modulation in offsetting mutant ATXN3-mediated proteotoxicity.