Establishing the relevance of Tau isoform imbalance in the onset and progression of Machado-Joseph disease

Abstract

A doença de Machado-Joseph (DMJ), também conhecida como Ataxia Espinocerebelosa Tipo-3 (SCA3), é uma ataxia hereditária dominante causada por uma expansão instável do trinucleotído citosina-adenina guanina (CAG) dentro da sequência codificante do gene ATXN3, que é traduzido num trato de poliglutamina anormalmente longo na proteína ataxina-3 (ATXN3). Este distúrbio neurodegenerativo de início tardio é ca racterizado por uma apresentação clínica altamente complexa. A nível neuropatológico, a neurodegeneração também afeta várias áreas do sistema nervoso central (SNC). Nos últimos anos, a nossa compreensão acerca do mecanismo patológico da DMJ/SCA3 progrediu notavelmente, e a comunidade científica fez alguns avan ços no desenvolvimento de possíveis estratégias terapêuticas para este transtorno incapacitante. Atualmente, os tratamentos ou terapias existentes para a DMJ/SCA3 são escassos e dirigidos principalmente para o alívio dos sintomas. Além disso, essas abordagens não têm sido muito eficientes em desacelerar ou reverter o processo de neurodegeneração. No entanto, o(s) mecanismo(s) preciso(s) subjacente(s) a esta doença per manecem indefinidos e poucos biomarcadores foram identificados. Trabalho anterior da equipa sugeriu que a expressão da ATXN3 mutante perturba o fator de splicing SRSF7(9G8), levando a uma desregulação do splicing do exão 10 do gene da MAPT (Tau). Este estudo mostrou uma diminuição nos níveis da isoforma 4R-Tau no cérebro do modelo de ratinho CMVMJD135 (ratinho SCA3) a uma idade sintomática tardia e também, em amostras de cérebro de pacientes com DMJ/SCA3. Com base nessas observações, o objetivo principal deste trabalho foi restaurar os níveis de expressão da proteína 4R-Tau no cérebro de ratinhos SCA3 e avaliar se esta abordagem modulatória poderia melhorar a progressão da DMJ/SCA3. Nesse sentido, re corremos a injeções estereotáxicas, no quarto ventrículo, de vetores virais adeno-associados (VAA), expres sando a proteína 4R-Tau humana, no cérebro de um modelo de ratinho SCA3 que recapitula de perto a doença humana tanto a um nível fenotípico como neuropatológico. O efeito da modulação dos níveis de expressão da proteína 4R-Tau foi avaliado ao longo da progressão da doença através da realização de um conjunto de testes comportamentais para avaliar a (dis)função motora. No geral, os nossos resultados mos traram que nas condições aqui testadas, e embora a expressão viral tenha sido detetada no final do ensaio (na semana 20) em algumas áreas do SNC, a administração de AAV-CAG-4R-Tau falhou em reverter ou melhorar a disfunção motora dos ratinhos SCA3. No entanto, e porque o equilíbrio entre as isoformas da Tau precisa de ser estritamente regulado nos neurónios, outras condições experimentais devem ser testadas em estudos futuros.

Machado-Joseph disease (MJD), also known as Spinocerebellar Ataxia Type-3 (SCA3), is a dominantly inherited ataxia caused by an unstable cytosine-adenine-guanine (CAG) trinucleotide expansion within the coding sequence of the ataxin-3 gene, which is ultimately translated to an abnormally long polyglutamine tract in the disease protein, named ataxin-3 (ATXN3). This late-onset neurodegenerative disorder is characterized by a highly complex clinical presentation. At the neuropathological level, neurodegeneration also affects multiple areas within the central nervous system (CNS). In the past years, our understanding of MJD/SCA3 pathological mechanism remarkably progressed, and the scientific community made some advances towards development of possible therapeutic strategies for this disabling disorder. Currently, the existing treatments or therapies for MJD/SCA3 are scarce and mainly focused on the relief of symptoms. Furthermore, these approaches have not being very efficient in slowing down or reversing the process of neurodegeneration. However, the precise mechanism(s) underlying this disease remains elusive and few readouts/biomarkers have been identified. Previous work from our team suggested that expression of mutant ATXN3 perturbs the splicing factor SRSF7 (or 9G8), leading to a deregulation of MAPT(Tau) exon 10 splicing. This study showed a decrease in the levels of 4R-Tau isoform in the brain of the CMVMJD135 mouse model (SCA3 mice) at a late symptomatic age as well as in brain samples of MJD/SCA3 patients. Based on these observations, the main aim of this work was to restore the 4R-Tau protein expression levels in the brain of our SCA3 mice and evaluate whether this modulatory approach could delay SCA3 progression. To accomplish this, we took advantage of stereotaxic injections of Adeno-Associated Viral Vectors (AAV) expressing the human 4R-Tau protein into the fourth ventricle of the brain of our SCA3 mouse model, that closely recapitulates the human disease both at the phenotypical and neuropathological levels. The effect of the modulation of 4R-Tau protein expression levels was evaluated along disease progression by performing a set of behavioural tests to assess motor (dys)function. Altogether, our results showed that, in the conditions herein tested, and although viral expression was detected at the end of the trial (at week 20) in some areas of the CNS, the administration of AAVCAG-4R-Tau failed to reverse or ameliorate the motor dysfunction of the SCA3 mice. Nevertheless, and because the balance between Tau isoforms needs to be strictly regulated in neurons, other experimental conditions should be tested in future studies.