The role of aging-related microglia dysfunction in the neurodegenerative process of Machado-Joseph disease

Abstract

Células microgliais têm sido, cada vez mais, associadas às doenças neurodegenerativas, apresentando diferentes perfis para várias destas doenças. Contudo, o perfil da microglia na doença de Machado-Joseph (DMJ) permanece desconhecido, bem como a contribuição destas células para a doença. Deste modo, este trabalho começou pela caracterização do perfil das células da microglia no modelo de ratinho que mimetiza a DMJ, o modelo CMVMJD135, através do uso das células da microglia obtidas das regiões do cérebro mais afetadas por esta doença. Diversos modelos foram usados para identificar perturbações celulares e moleculares, e potenciais alvos terapêuticos. Mais tarde, perguntamos se a microglia contribuía, ou não, para a patogénese da DMJ. A resposta surgiu pela depleção da microglia nos cérebros dos ratinhos CMVMJD135 usando o fármaco PLX3397. Um conjunto de testes comportamentais foi depois aplicado para avaliar o impacto da depleção destas células no fenótipo motor dos ratinhos CMVMJD135. Os resultados obtidos revelam alterações morfológicas que apontam para um aumento do estado de ativação da microglia nos ratinhos CMVMJD135 e um perfil transcricional específico da microglia associada à DMJ, abrangendo um total de 101 genes diferencialmente expressos, com enriquecimento em vias relacionadas com o stress oxidativo, resposta imune e metabolismo lipídico. Apesar do tratamento com o fármaco ter promovido uma redução substancial do número de células microgliais, isto não alterou os défices motores presentes neste modelo de ratinho. O fármaco induziu também alterações morfológicas na microglia sobrevivente dos ratinhos de controlo, o que poderá trazer implicações para outros estudos que utilizam este fármaco para reduzir o número de células microgliais. No geral, estes resultados permitiram-nos definir o perfil celular e molecular da microglia associada à DMJ e identificar genes e vias que podem representar potenciais alvos terapêuticos para combater esta doença. No entanto, estes resultados também sugerem que, apesar das alterações morfológicas, fenotípicas e transcriptómicas observadas na microglia dos ratinhos da DMJ, estas células poderão não ser contribuidores chave para a progressão desta doença.

Microglia have been increasingly implicated in neurodegenerative diseases (NDs), with non-homeostatic or pathological microglial profiles being defined for several of these NDs. Yet, the microglial profile in Machado- Joseph disease (MJD) remains unexplored as well as their contribution to the disease. Hence, in this study we first characterized the microglial profile in the CMVMJD135 mouse model of MJD, using microglial cells obtained from disease-relevant brain regions. Machine learning models and an RNA-sequencing analysis were used to identify cellular and molecular perturbations and potential therapeutic targets. Afterwards, we asked whether microglia are, or not, actively contributing for MJD pathogenesis. This was addressed by depleting microglia in the brains of CMVMJD135 mice, through the pharmacological inhibition of colony stimulating factor 1 receptor signaling, using PLX3397. A battery of behavioral tests was then applied to evaluate the impact of microglial depletion on the motor phenotype of CMVMJD135 mice. Our findings reveal morphological alterations that point to an increased activation state of microglia in CMVMJD135 mice and a disease-specific transcriptional profile of MJD microglia, encompassing a total of 101 differentially expressed genes, with enrichment in molecular pathways related to oxidative stress, immune response, cell proliferation, cell death, and lipid metabolism. Although PLX3397 treatment substantially reduced microglia numbers in the affected brain regions, it did not affect the motor deficits seen in this mouse model of MJD. Our results also show that, in addition to reducing the number of microglial cells, the treatment with PLX3397 induces morphological changes in the surviving microglia of wild-type mice that are a finding that has implications for other studies using this drug as a microglia depletion tool. Overall, these results allowed us to define the cellular and molecular profile of MJD-associated microglia and to identify genes and pathways that might represent potential therapeutic targets for this disorder. However, these results also suggest that despite the morphological, phenotypic, and transcriptomic changes seen in microglia in MJD mice, these cells may not be significant key contributors for MJD progression.