CHROMATIN DISRUPTION IN HUNTINGTON'S DISEASE ALTERS DEVELOPMENT AND PRECEDES NEUROPATHOLOGY

Huntington’s Disease (HD) is a neurodegenerative disorder caused by a CAG trinucleotide repeat expansion in the huntingtin (HTT) gene, leading to an abnormally long polyglutamine (polyQ) tract in mutant huntingtin (mHTT). Although clinical symptoms typically manifest in adulthood, increasing evidence suggests that the mutation exerts effects during early development, potentially initiating pathological processes decades before symptom onset. Among the affected processes, mHTT interferes with chromatin organization and gene regulation. In vitro studies have shown that mHTT alters the deposition of key histone modifications, including H3K4me3, associated with active transcription, and H3K27me3, linked to gene repression, thereby disrupting the balance between euchromatin and heterochromatin. Notably, these two marks frequently co-occur at transcription start sites, defining bivalent domains essential for the regulation of developmental genes. To investigate whether these early epigenetic alterations are linked to potential neurodevelopment defects in HD, we analysed the role of Polycomb group (PcG) proteins, focusing on the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) and 1 (PRC1), using both in vitro and in vivo models. Our analyses revealed alterations in the number and size of PcG bodies, suggesting that chromatin organization is compromised at early developmental stages in HD. Given the established relationship between chromatin organization and nuclear morphology, we also examined nuclear lamina architecture. We observed abnormalities in nuclear circularity and area during early neurodevelopment, which followed the onset of PcG body alterations in HD models. Finally, by modulating PRC2 activity through a dCas9–EZH2–EGFP lentiviral system, we were able to reorganize nuclear envelope morphology, specifically by altering both the circularity and the area of infected nuclei. These findings suggest that modulation of PRC2 activity may represent a key mechanism for restoring nuclear envelope structure in HD, in which nuclear aberrations are associated with profound chromatin decompartmentalization and consequent dysfunctions in gene expression regulation Collectively, our findings indicate that mHTT-driven chromatin disorganization precedes overt neurodegeneration and may underlie early disruptions in neuronal programs involved in vesicle trafficking, synaptic architecture, and neurite projection. These insights reinforce the emerging concept of HD as a neurodevelopmental disorder with strong epigenetic underpinnings.

La Corea di Huntington (MH) è una malattia neurodegenerativa causata da un’espansione del tratto CAG nel gene Huntingtina (HTT), che porta alla formazione di un tratto di glutammine eccessivamente lungo nell’HTT mutata (mHTT). Sebbene la manifestazione clinica si osservi generalmente in età adulta, evidenze sempre più numerose suggeriscono che la mutazione eserciti i propri effetti già durante le prime fasi dello sviluppo, determinando l’accumulo di processi patologici decenni prima dell’insorgenza dei sintomi conclamati. Tra i diversi processi alterati in presenza di mHTT troviamo l’organizzazione della cromatina e la conseguente regolazione dell’espressione genica. Studi in vitro hanno dimostrato che mHTT altera la deposizione di modificazioni istoniche essenziali tra cui H3K4me3, associata a trascrizione attiva, e H3K27me3, marcatore repressivo dell’espressione genica. L’alterazione di queste modificazioni istoniche comporta uno squilibrio globale tra eucromatina ed eterocromatina e una conseguente modificazione della sua compartimentalizzazione. È inoltre noto che H3K4me3 e H3K27me3 possano essere presenti contemporaneamente sullo stesso promotore, regolando l’espressione dei geni bivalenti (BD), fondamentali per il corretto sviluppo. Per determinare se queste alterazioni epigenetiche precoci siano associate a potenziali difetti del neurosviluppo nella MH abbiamo analizzato le potenziali alterazioni delle proteine del gruppo Polycomb (PcG), concentrandoci sui complessi PRC2 e PRC1, sia in modelli in vitro sia in vivo. Le nostre analisi hanno evidenziato alterazioni nel numero e nell’area dei domini PcG, suggerendo che nella MH l’organizzazione della cromatina sia compromessa già durante le prime fasi dello sviluppo. Poiché l’organizzazione della cromatina e la morfologia nucleare sono strettamente interconnesse, abbiamo esaminato anche l’architettura della lamina nucleare. Le nostre analisi hanno rilevato anomalie sia nella circolarità sia nell’area nucleare già durante le prime fasi del neurosviluppo, in modo analogo a quanto osservato per i domini PcG nei diversi modelli di MH analizzati. Infine, modulando l’attività di PRC2 mediante infezione con un lentivirus contenente il costrutto dCas9–EZH2–EGFP, è stato possibile riorganizzare la morfologia nucleare, in particolare modificando sia la circolarità sia l’area dei nuclei. Questi risultati suggeriscono che la modulazione dell’attività di PRC2 possa rappresentare un meccanismo cruciale per il ripristino della morfologia nucleare, che nella MH risulta alterata ed è associata a una profonda decompartimentalizzazione della cromatina, seguita da una disregolazione dell’espressione genica. Nel complesso i nostri risultati indicano che la disorganizzazione della cromatina mediata da mHTT possa precedere la neurodegenerazione, suggerendo un’alterazione precoce di programmi neuronali coinvolti nel trasporto delle vescicole, nell’architettura delle sinapsi e nelle proiezioni neuronali. Queste evidenze rafforzano ulteriormente l’ipotesi che la MH sia una malattia del neurosviluppo con una componente epigenetica significativa alla sua base.