Neuropathologic study of a transgenic mouse model of Machado-Joseph disease

Dissertação de mestrado em Genética MolecularMachado-Joseph Disease (MJD) is an autosomal dominant neurodegenerative disorder caused by an expansion of the polyglutamine tract near the C-terminus of the ATXN3 gene product, ataxin-3 protein. Clinically, MJD is a very heterogeneous disorder, being the most common symptoms ataxia, loss of balance and coordination, and spasticity. The mutant ataxin-3 forms intranuclear and axonal aggregates in the brain cells of MJD patients. The remarkable degree of brain atrophy observed postmortem in brains of patients with this disorder as well as in other polyQ diseases would suggest that neuronal cell loss is a major feature of the pathogenic process. In order to understand if and how the expanded form of the gene causes cell demise in specific populations of neurons we performed stereological analysis, in order to determine the volumes and the number of cells in specific brain regions (known to be affected in MJD patients) in a transgenic mouse model of the disease. CMVMJD135 mice express ataxin-3 with 135 glutamines under the control of the CMV (cytomegalovirus) promoter and manifest MJD-like motor symptoms including balance deficit, gait ataxia and motor uncoordination that gradually appear and progress overtime, in the absence of premature death. They also show ataxin-3-positive intranuclear inclusions in several brain regions, namely in the pontine and dentate nuclei. We found a decrease in the volume and total cell number in pontine nuclei and reduction of volume in dentate nuclei, with no differences in the total cell number. No differences were found in volume and total cell number in locus coeruleus and in substantia nigra; however, we observed a decrease of the number of dopaminergic neurons in substantia nigra pars compacta. In the cerebellum, we observed a reduction of molecular layer thickness. All together, these findings allow us to conclude that CMVMJD135 mouse is a promising model to study neurodegeneration in MJD, as it reproduces the specific neuronal loss observed in patients in a late stage of the disease. With this work we have identified possible quantitative biomarkers that could be very usefull in future pre-clinical trials with this model.A Doença de Machado-Joseph (DMJ) é uma doença neurodegenerativa autossómica dominante causada por uma expansão anormal de repetições do trinucleótido CAG no gene ATXN3. Clinicamente, a DMJ é bastante heterogénea, constituindo os sintomas mais comuns a ataxia, perda de equilíbrio e de coordenação e espasticidade. A ataxina-3 expandida forma agregados intranucleares e axonais nos neurónios de doentes de Machado-Joseph. A atrofia observada em cérebros de pacientes post-mortem, bem como em outras doenças provocadas por expansão de glutaminas, sugere como característica chave do processo patogénico a morte neuronal. De modo a compreender como a forma expandida da proteína ataxina-3 afeta determinadas populações neuronais, foi realizada uma análise estereológica, de modo a determinar o volume e número total de células em regiões específicas do cérebro, descritas como afetadas na DMJ, num modelo da doença em ratinho. O ratinho transgénico CMVMJD135 expressa a proteína ataxina-3 com 135 glutaminas sob o controlo do promotor CMV (citomegalovirus) e manifesta sintomas motores característicos da DMJ que incluem perda de equilíbrio, ataxia e falta de coordenação motora que gradualmente progridem ao longo do tempo, na ausência de morte prematura. Apresenta ainda inclusões intranucleares de ataxina-3 em várias regiões do cérebro, tais como núcleos pônticos e denteados. Os resultados deste trabalho mostram uma redução do volume e do número total de células nos núcleos pônticos e uma redução do volume dos núcleos denteados que não é acompanhada por redução do número total de células. Não foram encontradas diferenças no volume e no número de total de células no locus coeruleus e na substantia nigra; no entanto, observamos uma diminuição do número de neurónios dopaminérgicos na substancia nigra pars compacta. Também verificámos uma redução da espessura da camada molecular do cerebelo. Em conjunto, estas descobertas permitem-nos concluir que o ratinho transgénico CMVMJD135 é um modelo promissor para estudar o processo de neurodegeneração na DMJ uma vez que ele reproduz a perda neuronal específica observada em doentes de Machado-Joseph. As alterações aqui identificadas constituem ainda biomarcadores possíveis de quantificação, de grande utilidade em futuros ensaios pré-clinicos usando este modelo animal