Trehalose alleviates neuropathological and motor behaviour deficits of a transgenic mouse model of Machado-Joseph disease

Dissertação de mestrado em Biotecnologia Farmacêutica, apresentada à Faculdade de Farmácia da Universidade de CoimbraMachado Joseph disease, or spinocerebellar ataxia type 3 is a fatal neurodegenerative disorder considered the most common dominantly inherited ataxia worldwide. This disease is caused by an expansion of the CAG trinucleotide in the coding region of the ATXN3/MJD1 gene, which is translated into an expanded polyglutamine tract in the C-terminus of the protein ataxin-3. This mutation of ataxin-3 enhances its susceptibility to misfold and accumulate as neuronal cytoplasmic and intranuclear inclusions, with a toxic gain of function, as it leads to neuronal dysfunction and cell death. Presently, there are no therapies able to modify or delay the progression of this fatal disease. Trehalose is a naturally occurring disaccharide used in food, cosmetic and pharmaceutical industry as a stabilizer. Recent evidence indicates that trehalose acts as a chemical chaperone, stabilizing proteins and protecting them from denaturation and aggregation, and allowing the maintainance of its normal functions under environmental stresses. Moreover, trehalose has been shown to induce autophagy, a major clearance pathway for the degradation of dysfunctional proteins and organelles, and also important for the removal of intracellular aggregate-prone proteins as ataxin-3. Recent studies using in vitro and in vivo models of several protein-misfolded diseases, including spinocerebellar ataxias, present trehalose as a promising therapeutic approach. In the present study we used a MJD transgenic mouse model to investigate whether trehalose can alleviate both motor behaviour and neurodegeneration characteristic of this disorder. We found that trehalose had a neuroprotective effect, improving significantly the extremely severe phenotype of these transgenic MJD mice. Trehalose ameliorated motor coordination and balance, and rescued limb and gait ataxia of treated mice. Furthermore, trehalose alleviated the neuropathology of this MJD mouse model, preserving both molecular and granular layers of the cerebellum, and reduced the size of mutant ataxin-3 aggregates in the Purkinje cells. Therefore, the low toxicity profile already described for this molecule, together with our results, suggest that trehalose can be a strong therapeutic approach for MJDA doença de Machado Joseph (MJD), também conhecida como ataxia espinocerebelosa do tipo 3 (SCA3), é uma doença neurodegenerativa fatal, considerada a ataxia espinocerebelosa dominante autossómica mais comum em todo o mundo. Esta doença é causada por uma repetição excessiva do trinucleótido CAG no gene ATXN3/MJD1, que se traduz numa cadeia expandida de glutaminas no C-terminus da proteína ataxina-3. Esta mutação da ataxina-3 aumenta a sua susceptibilidade para adoptar uma conformação alterada e para se acumular em inclusões neuronais citoplasmáticas e nucleares, adquirindo propriedades tóxicas, e originando disfunção neuronal e morte celular. Presentemente, não estão disponíveis terapias capazes de modificar ou atrasar a progressão desta doença fatal. A trealose é um dissacarídeo de ocorrência natural usado nas indústrias alimentar, cosmética e farmacêutica como estabilizante. Estudos recentes indicam que a trealose actua como chaperone químico, estabilizando as proteínas e protegendo-as da desnaturação, da agregação, e permitindo a manutenção das suas funções normais quando sujeitas a stresses ambientais. Além disso, foi também demonstrado que a trealose induz a autofagia, uma via importante de degradação de proteínas e organelos disfuncionais, e que é também essencial para a remoção de proteínas intracelulares com tendência a agregar, tal como a ataxina-3. Estudos recentes in vitro e in vivo em modelos de diversas doenças neurodegenerativas, incluindo de ataxias espinocerebelosas, apresentam o tratamento com trealose como promissor. No presente estudo usámos um modelo de murganhos portadores da MJD para investigar se a trealose poderia aliviar o comportamento motor e a neurodegeneração característicos desta doença. Foi demonstrado que a trealose teve um efeito neuroprotector, melhorando significativamente o fenótipo extremamente severo destes murganhos portadores da MJD. A trealose melhorou a coordenação motora, o equilíbrio, e a marcha atáxica dos animais tratados. Além disso, a trealose aliviou a neuropatologia neste modelo da MJD, preservando as camadas molecular e granular do cerebelo, e reduzindo o tamanho dos agregados contendo ataxina-3 mutante nas células de Purkinje. Em conclusão, o baixo perfil de toxicidade já descrito para esta molécula, em conjunto com os resultados dos nossos estudos, sugerem que a trealose pode tornar-se uma forte abordagem terapêutica para a MJ