Neurodegeneration in aging: Lessons from Cockayne Syndrome

O envelhecimento está associado ao surgimento de diversas disfunções teciduais, como as doenças neurodegenerativas. Esse processo não é totalmente compreendido, principalmente devido à dificuldade de estudar a organização neuronal humana. Uma saída é estudar as síndromes associadas ao envelhecimento prematuro, exacerbando os processos celulares em modelos in vitro. A Síndrome de Cockayne (CS) é um desses distúrbios em que os indivíduos têm uma expectativa de vida não superior a 20 anos, durante os quais os indivíduos são afetados por sintomas neurológicos graves associados à atrofia cerebral. No nível celular, essa síndrome é caracterizada por alteração funcional da via de reparo do DNA através da excisão de nucleotídeos, que é responsável por reparar grandes torções de DNA, como as causadas pela luz UV. De fato, mutações nessa via também podem levar a um aumento de 10.000 vezes nos tumores de pele, mas interessantemente não em pacientes com CS a relação dessa via com o tecido neural e a neurodegeneração não foram bem estabelecidos. Neste trabalho, usando células pluripotentes induzidas de fibroblastos dérmicos de pacientes com CS, observamos uma alta sensibilidade a drogas que oxidam o DNA, sugerindo que a instabilidade genômica nesses pacientes pode ser causada por espécies reativas produzidas pelo próprio metabolismo celular. Além disso, diferenciamos células pluripotentes em células progenitoras neurais, bem como em culturas maduras de neurônios e astrócitos. Nessas culturas, observamos um aumento no número de lesões de DNA logo após o tratamento oxidante em relação as linhagens celulares selvagens, indicando cinética de reparo mais lenta nas células CS. Também descobrimos que esse tipo de dano no DNA não resulta no bloqueio da RNA polimerase, um efeito anteriormente considerado um dos principais envolvidos nos sintomas graves da CS. Ademais mostramos que em células CS esse dano é sinalizado de maneira diferente das células selvagens, efeito que pode integrar as bases moleculares da progressão da doença. Paralelamente, desenvolvemos modelo tridimensional in vitro do córtex cerebral desses pacientes e observamos depleção maciça da zona de progenitores neurais, não observado nas células controle. Esse efeito pode estar relacionado com o fenótipo de problemas neurológicos observados em pacientes CS. Finalmente, encontramos depósitos de proteínas tóxicas relacionadas ao envelhecimento e demência neste modelo, reforçando novamente o aspecto de envelhecimento acelerado da doença. Esperamos que, além de ajudar a entender os mecanismos da CS com este novo modelo 3D, possamos fornecer uma plataforma para testes terapêuticos, mas sobretudo, promover um modelo que possa ser usado para estudar a neurodegeneração associado ao envelhecimento da população em geral.Aging is associated with the development of various tissue dysfunctions, such as neurodegenerative diseases. This process is not fully established, mainly due to the difficulty of accessing human neural tissue. One way forward is to study syndromes associated with premature aging that show enhanced cellular processes in in vitro models. Cockayne syndrome (CS) is one such disorder in which individuals have a life expectancy of no more than 20 years, during which they suffer from severe neurological symptoms associated with brain atrophy. At the cellular level, the nucleotide excision repair (NER) pathway is altered, which is known to repair bulky DNA damage, such as those caused by UV light. Mutations in this pathway can also lead to a 10,000-fold increase in skin tumors, but not in CS patientsthe relationship between NER and neurodegeneration is unclear. Here, using induced pluripotent cells derived from dermal fibroblasts of CS patients, we observed a high sensitivity to drugs that oxidize DNA, suggesting that genomic instability in these patients may be caused by reactive species produced by cell metabolism. Furthermore, we differentiated pluripotent cells into neural progenitor cells and mature cultures of neurons and astrocytes. We observed an increase in the number of DNA lesions in these cultures compared to controls shortly after oxidant treatment, suggesting slower repair kinetics in these cells. We also found that this type of DNA damage does not lead to blockage of RNA polymerase, an effect previously thought to be a significant contributor to the severe symptoms of CS. We also observed that DNA damage signaled differently from control cells, an effect that may integrate the molecular basis of disease progression. Furthermore, we developed a tridimensional in vitro model of the cerebral cortex of these patients and observed a marked depletion of neural progenitor regions, an effect that might be associated with CS progression. Finally, in this model, we identify toxic protein deposits associated with aging and dementia, which reinforces the accelerated aging aspect of the syndrome. We hope that with this new 3D model, we can contribute to a better understanding of the mechanisms of CS and provide a platform for therapeutic research, and, more ultimately, offer a model to study age-related neurodegeneration in the general population