MOLECULAR MECHANISMS OF THE SEXUALLY DIMORPHIC INFLAMMATORY RESPONSE INDUCED BYNEURODEGENERATIVE SIGNALS

Parkinson’s disease (PD) is a progressive, neurodegenerative disease characterized by motor symptoms linked to different pathogenic mechanisms, among which a deranged activation of innate immunity and neuroinflammation play a key role. The sexual dimorphism in PD, that results in men being more frequently affected than women, has been associated with genetic as well as sex steroid hormone-mediated mechanisms. New evidence suggests that the disease may start in the enteric nervous system and spread to the CNS only at later stages. My working hypothesis is that the sexual dimorphism in PD is due to a distinct ability of macrophages of the two sexes to drive inflammatory and neuromodulatory actions, resulting in a sexually dimorphic onset and progression of PD. The aim of my research is to study the extent to which neurotoxic molecules, that are typically associated with PD pathogenesis, or neuronal signals generated in response to them, could modulate macrophage cells and induce immune, metabolic and oxidative stress responses that influence PD progression. In addition, my goal is also to assess whether these specific functions of macrophages could be different in male and female mice. In the laboratory where I performed my PhD thesis, engineered reporter animals were available which allowed assessment of the transcriptional activity of NRF2 and NFkB, two transcription factors deeply involved in antioxidant and inflammatory responses, respectively. Primary cultures of peritoneal macrophages obtained from these mice allowed me to highlight the key function of NRF2, and not NFkB, in the macrophage response to neurotoxic and oxidant molecules, such as MPP+ and tBHQ, respectively. Moreover, I observed that the activation of NRF2 allows macrophages to acquire a protective immune phenotype through changes in cell metabolic and inflammatory functions under homeostatic as well as inflammatory conditions, which were mimicked by LPS administration to cells. In fact, the simultaneous administration of tBHQ+LPS alters the effects of each individual pathway in a target gene-specific manner. Importantly, I observed that both NRF2 and NFkB activation and function are sexually distinct in macrophages. In fact, NRF2 transcriptional activity and 5 NRF2-target gene expression were induced at higher levels by NRF2 activating stimuli in female macrophages. Moreover, NRF2 activation correlated also with a stronger anti-inflammatory response against LPS activity on inflammatory genes in female cells. On the other hand, NFkB activation and the expression of pro-inflammatory cytokines, such as L-1b, IL-6 and TNFa were higher in LPS- treated male compared to female cells. By demonstrating the key role for NRF2 in the sex-specific reactivity of macrophages these results indicate possible molecular and cellular mechanisms to explain the sexual differences in PD onset and progression. Altogether, our results show that the activation of NRF2 redirects the metabolic, immune and proliferative response of peritoneal macrophages to inflammatory signals in a sex-dependent manner, with relevant consequences for the pharmacological treatment of diseases that are associated with unopposed inflammatory responses, such as neurodegenerative diseases and PD.

La malattia di Parkinson (PD) è una patologia neurodegenerativa progressiva, caratterizzata da sintomi motori causati da diversi meccanismi patogenetici tra i quali rivestono un ruolo chiave un’eccesiva risposta immunitaria innata e fenomeni associati alla neuroinfiammazione. La malattia di Parkinson presenta un dimorfismo sessuale: gli uomini, infatti, sono più colpiti delle donne; questo effetto è stato associato, per lo meno in parte, con le azioni neuro protettive ed antiinfiammatorie degli estrogeni. Nuove ipotesi sembrano indicare che la malattia inizi a livello del sistema nervoso enterico e si propaghi nel sistema nervoso centrale soltanto nelle fasi finali. L’ipotesi su cui si basa il mio lavoro è quella che il dimorfismo sessuale osservato nel PD sia causato dalla diversa abilità dei macrofagi dei due sessi di compiere azioni infiammatorie e neuromodulatorie, determinando così il dimorfismo sessuale osservato nell’onset e nella progressione della patologia. Lo scopo della mia ricerca è di studiare l’intensità con cui molecole neurotossiche, che sono tipicamente associate al PD, o segnali generati dai neuroni in risposta a queste, possano modulare le funzionalità dei macrofagi ed indurre risposte di tipo immunitario, metabolico e conto lo stress ossidativo che influenzino la progressione della malattia. In aggiunta, il mio obiettivo è valutare anche se queste specifiche funzioni possano essere differenti in macrofagi isolati da animali maschi e femmine. Nel laboratorio in cui ho svolto la mia tesi di Dottorato, erano disponibili animali reporter per valutare l’attività trascrizionale di NRF2 e NFkB, due fattori di trascrizione strettamente coinvolti nelle risposte antiossidanti ed infiammatorie, rispettivamente. Colture primarie di macrofagi peritoneali ottenuti da questi animali hanno permesso di mettere in luce le funzioni di NRF2, e non NFkB, nei macrofagi in risposta a molecole neurotossiche ed ossidanti, quali MPP+ e tBHQ. Inoltre, ho osservato che l’attivazione di NRF2 permette ai macrofagi di acquisire un fenotipo immunitario positivo, ottenuto grazie a cambiamenti nel metabolismo cellulare e nelle funzioni infiammatorie, simulate tramite trattamento con LPS. Soprattutto ho osservato come l’attivazione e la funzione sia di NRF2 che di NFkB sono sessualmente diverse nei macrofagi. Infatti, l’attività trascrizionale di NRF2 e l’espressione dei suoi geni target sono indotti a livelli più alti da stimoli attivanti NRF2 nei macrofagi isolati da animali femmina. In aggiunta, l’attivazione di NRF2 si correla anche ad una più forte risposta antinfiammatoria in seguito a trattamento con LPS nelle cellule isolate da animali femmina. D’altra parte, l’attivazione di NFkB e l’espressione di citochine pro- infiammatorie, quali IL-1b, IL-6 e TNFa, è maggiore in maschi trattati con LPS rispetto alle femmine. Avendo dimostrato il ruolo chiave di NRF2 nella reattività dei macrofagi in maniera sesso-specifica, questi risultati suggeriscono possibili meccanismi molecolari e cellulari che spiegano le differenze di sesso nell’onset e nella progessione della malattia di Parkinson. Nel complesso questi risultati dimostrano che l’attivazione di NRF2 è in grado di reindirizzare la risposta metabolica, immunitaria e proliferativa di macrofagi peritoneali in risposta a stimoli infiammatori, in maniera sesso-specifica, con rilevanti conseguenze nelle patologie caratterizzate da una risposta infiammatoria squilibrata, come le malattie neurodegenerative.