The Parkinson's disease (PD) evolves over an extended period of time with the onset occurring long before clinical signs begin to manifest. Characterization of the molecular events underlying the PD onset is instrumental for the development of diagnostic markers and preventive treatments but progress in this field is hindered by technical limitations. Risk factors are the obvious target of prevention; mutations in the GBA1 gene, encoding for the lysosomal -glucocerebrosidase (GCase) enzyme, have been associated with the highest risk of PD, while homozygous individuals invariably develop Gaucher’s disease (GD), a pathology characterized by several deficits including neuronal damages. GBA1 mutations impair GCase activity and generate a lysosomal disorder in macrophages considered the hallmark of GD, while in the brain most of the effects of GBA1 mutations have been so far attributed to the GCase deficit in neuronal cells. During my Ph.D. project, I have generated innovative reporter tools and applied different optical imaging approaches to study the activation of brain-protective response in models representative of prodromal phases of PD in vitro and in vivo. The study was focused on nuclear factor erythroid 2-related factor (NRF2), regulating antioxidant/detoxifying response, and the transcription factor EB (TFEB), the master regulator of autophagy and lysosomal pathways, as key signals underlying the early stage of neurodegeneration. In dopaminergic SK-N-BE neuroblastoma cells and in the substantia nigra pars compacta area of the mouse brain, we detected that Nrf2 activation precedes dopaminergic neurodegeneration driven by neurotoxin as demonstrated by cellular, in vivo and ex vivo optical imaging, a finding confirmed by co-localization experiments carried out by immunohistochemistry. Since activation of this transcription factor anticipates dopaminergic neurodegeneration, I focused the study on the cross-talk between a potential PD triggering signal, namely inhibition of the GCase enzyme, and the Nrf2 signaling pathway. Remarkably, I discovered a novel mechanism of microglia-to-neuron communication mediated by cell-to-cell contact, supported by functional actin structures and by an efficient energetic metabolism. Surprisingly, the experiments performed in microglia/neuron co-cultures and in the brain of living mice provided compelling evidence that inhibition of microglial GCase interferes with the ability of these cells to stimulate the NRF2-mediated response in neurons resulting in increased neuronal susceptibility to a xenobiotic. Assays performed in co-culture suggest that counteracting such dysfunction by metabolic compensation could represent a potential therapeutic approach to decrease the risk of neurodegeneration. In conclusion, my thesis demonstrated that the developed reporter systems can be used to study the dynamic modulation of molecular pathways in the living brain; this technology has been developed in particular for the dynamic measurement of oxidative stress and lysosomal/autophagy pathways. Application of these systems allowed to demonstrate that GCase inhibition impairs microglia/neuron communication, thus increasing the susceptibility of neurons to detrimental insults. Taken together, the data identified a novel mechanism underlying the increased risk of neurodegeneration observed in carriers of GBA1 mutations and suggest novel therapeutic strategies for prevention.

La degenerazione dopaminergica che caratterizza il morbo di Parkinson antecede la manifestazione dei segni clinici. Identificare gli eventi molecolari responsabili dell'insorgenza della malattia di Parkinson rappresenta un traguardo fondamentale sia per poter sviluppare marcatori diagnostici che trattamenti preventivi; tuttavia, lo studio della patogenesi è limitato dalla carenza di modelli appropriati e dalla difficoltà di studiare la malattia umana che evolve lungo un arco temporale di decenni. Le indicazioni che provengono dall’analisi dei fattori di rischio, sono in questo contesto fondamentali per comprendere l’eziopatogenesi. Tra di esse, particolarmente rilevanti sono le mutazioni nel gene GBA1, che codifica per l'enzima lisosomiale β-glucocerebrosidasi (GCasi), essendo considerate il maggiore fattore di rischio per lo sviluppo della malattia di Parkinson; questa proteina risulta essere fondamentale anche per la malattia di Gaucher, in quanto individui portatori di mutazioni in omozigosi sviluppano tale patologia che, in un sottogruppo di pazienti, è caratterizzata anche dalla presenza di neurodegenerazione. Le mutazioni in tale gene sono quindi considerate al crocevia di due malattie; nel caso della malattia di Gaucher l’alterazione dell’attività della GCasi induce nei macrofagi un disturbo lisosomiale considerato il segno distintivo della malattia; nel morbo di Parkinson, invece, si pensa che il difetto enzimatico produca i suoi effetti negativi soprattutto sulla componente neuronale. Allo scopo di studiare gli eventi molecolari caratterizzanti l’incipit della malattia di Parkinson, durante il corso di Dottorato, ho generato sistemi reporter innovativi che permettono di misurare la modulazione di segnali neuroprotettivi in colture cellulari e in vivo, nel cervello di modelli animali, rappresentativi delle fasi prodromiche della malattia di Parkinson, attraverso approcci basati sull’imaging ottico. In particolare, lo studio si è concentrato sul fattore di trascrizione nucleare eritroide-2 (NRF2), che regola la risposta citoprotettiva allo stress ossidativo e agli xenobiotici, e sul fattore di trascrizione EB (TFEB), il principale regolatore delle vie autofagiche e lisosomiali, poiché è noto che la loro deregolazione può comportare danno cellulare. Attraverso l’imaging ottico, esperimenti di immunocitochimica ed immunoistochimica ho dimostrato che nella linea di neuroblastoma dopaminergico SK-N-BE e nell’area celebrale murina corrispondente alla substantia nigra par compacta l'attivazione di Nrf2, ma non quella di Tfeb, precede la neurodegenerazione dopaminergica indotta dalla neurotossina MPP+. Lo studio è stato quindi focalizzato sulla dinamica di attivazione del fattore Nrf2 durante le fasi iniziali del processo neurodegenerativo indotto dall’inibizione dell’enzima GCasi, un evento che, come citato sopra, rappresenta il principale fattore di rischio di contrarre la malattia di Parkinson. Gli esperimenti condotti su linee immortalizzate, su cellule primarie e modelli murini hanno permesso di identificare un nuovo meccanismo di comunicazione tra la microglia ed il neurone, basato sul contatto diretto tra le due tipologie cellulari che avviene attraverso strutture actina-dipendenti presenti nella microglia e che richiede un metabolismo energetico cellulare funzionale. Sorprendentemente, l'inibizione farmacologica della GCasi microgliale è sufficiente per interferire con la capacità della microglia di stimolare una comunicazione neuroprotettiva attraverso l’induzione del segnale NRF2. Lo studio ha infine fornito evidenze che tale disfunzione indotta dall’inibizione della GCasi potrebbe essere ripristinata attraverso un effetto compensatorio sul metabolismo energetico, suggerendo una nuova strategia terapeutica preventiva per la malattia di Parkinson. In conclusione, la mia tesi ha dimostrato che i sistemi reporter sviluppati possono essere strumenti utili per lo studio della dinamica di segnali neuroprotettivi; questa tecnologia è stata sviluppata in particolare per quantificare la risposta allo stress ossidativo e delle vie autofagico/lisosomiali. In particolare, l’applicazione di tali sistemi ha permesso di dimostrare che l'inibizione della GCasi altera la comunicazione citoprotettiva microglia/neurone, aumentando la suscettibilità dei neuroni agli insulti neurotossici. In tal modo abbiamo identificato un nuovo meccanismo che potrebbe spiegare l'aumentato rischio di neurodegenerazione osservato nei portatori di mutazioni GBA1 fornendo un nuovo potenziale bersaglio per possibili strategie terapeutiche preventive.

BETA-GLUCOCEREBROSIDASE MEDIATES MICROGLIAL NEUROPROTECTIVE FUNCTIONS: A POSSIBLE LINK BETWEEN PARKINSON'S AND GAUCHER'S DISEASES / E.a.s. Brunialti ; tutor: P. Ciana ; coordinator: A. L.Catapano. - : . Dipartimento di Oncologia ed Emato-Oncologia, 2021 Feb 16. ((33. ciclo, Anno Accademico 2020. [10.13130/brunialti-electra-athena-salome-_phd2021-02-16].

BETA-GLUCOCEREBROSIDASE MEDIATES MICROGLIAL NEUROPROTECTIVE FUNCTIONS: A POSSIBLE LINK BETWEEN PARKINSON'S AND GAUCHER'S DISEASES

E.A.S. Brunialti
2021

Abstract

La degenerazione dopaminergica che caratterizza il morbo di Parkinson antecede la manifestazione dei segni clinici. Identificare gli eventi molecolari responsabili dell'insorgenza della malattia di Parkinson rappresenta un traguardo fondamentale sia per poter sviluppare marcatori diagnostici che trattamenti preventivi; tuttavia, lo studio della patogenesi è limitato dalla carenza di modelli appropriati e dalla difficoltà di studiare la malattia umana che evolve lungo un arco temporale di decenni. Le indicazioni che provengono dall’analisi dei fattori di rischio, sono in questo contesto fondamentali per comprendere l’eziopatogenesi. Tra di esse, particolarmente rilevanti sono le mutazioni nel gene GBA1, che codifica per l'enzima lisosomiale β-glucocerebrosidasi (GCasi), essendo considerate il maggiore fattore di rischio per lo sviluppo della malattia di Parkinson; questa proteina risulta essere fondamentale anche per la malattia di Gaucher, in quanto individui portatori di mutazioni in omozigosi sviluppano tale patologia che, in un sottogruppo di pazienti, è caratterizzata anche dalla presenza di neurodegenerazione. Le mutazioni in tale gene sono quindi considerate al crocevia di due malattie; nel caso della malattia di Gaucher l’alterazione dell’attività della GCasi induce nei macrofagi un disturbo lisosomiale considerato il segno distintivo della malattia; nel morbo di Parkinson, invece, si pensa che il difetto enzimatico produca i suoi effetti negativi soprattutto sulla componente neuronale. Allo scopo di studiare gli eventi molecolari caratterizzanti l’incipit della malattia di Parkinson, durante il corso di Dottorato, ho generato sistemi reporter innovativi che permettono di misurare la modulazione di segnali neuroprotettivi in colture cellulari e in vivo, nel cervello di modelli animali, rappresentativi delle fasi prodromiche della malattia di Parkinson, attraverso approcci basati sull’imaging ottico. In particolare, lo studio si è concentrato sul fattore di trascrizione nucleare eritroide-2 (NRF2), che regola la risposta citoprotettiva allo stress ossidativo e agli xenobiotici, e sul fattore di trascrizione EB (TFEB), il principale regolatore delle vie autofagiche e lisosomiali, poiché è noto che la loro deregolazione può comportare danno cellulare. Attraverso l’imaging ottico, esperimenti di immunocitochimica ed immunoistochimica ho dimostrato che nella linea di neuroblastoma dopaminergico SK-N-BE e nell’area celebrale murina corrispondente alla substantia nigra par compacta l'attivazione di Nrf2, ma non quella di Tfeb, precede la neurodegenerazione dopaminergica indotta dalla neurotossina MPP+. Lo studio è stato quindi focalizzato sulla dinamica di attivazione del fattore Nrf2 durante le fasi iniziali del processo neurodegenerativo indotto dall’inibizione dell’enzima GCasi, un evento che, come citato sopra, rappresenta il principale fattore di rischio di contrarre la malattia di Parkinson. Gli esperimenti condotti su linee immortalizzate, su cellule primarie e modelli murini hanno permesso di identificare un nuovo meccanismo di comunicazione tra la microglia ed il neurone, basato sul contatto diretto tra le due tipologie cellulari che avviene attraverso strutture actina-dipendenti presenti nella microglia e che richiede un metabolismo energetico cellulare funzionale. Sorprendentemente, l'inibizione farmacologica della GCasi microgliale è sufficiente per interferire con la capacità della microglia di stimolare una comunicazione neuroprotettiva attraverso l’induzione del segnale NRF2. Lo studio ha infine fornito evidenze che tale disfunzione indotta dall’inibizione della GCasi potrebbe essere ripristinata attraverso un effetto compensatorio sul metabolismo energetico, suggerendo una nuova strategia terapeutica preventiva per la malattia di Parkinson. In conclusione, la mia tesi ha dimostrato che i sistemi reporter sviluppati possono essere strumenti utili per lo studio della dinamica di segnali neuroprotettivi; questa tecnologia è stata sviluppata in particolare per quantificare la risposta allo stress ossidativo e delle vie autofagico/lisosomiali. In particolare, l’applicazione di tali sistemi ha permesso di dimostrare che l'inibizione della GCasi altera la comunicazione citoprotettiva microglia/neurone, aumentando la suscettibilità dei neuroni agli insulti neurotossici. In tal modo abbiamo identificato un nuovo meccanismo che potrebbe spiegare l'aumentato rischio di neurodegenerazione osservato nei portatori di mutazioni GBA1 fornendo un nuovo potenziale bersaglio per possibili strategie terapeutiche preventive.
CIANA, PAOLO
CATAPANO, ALBERICO LUIGI
NORATA, GIUSEPPE DANILO
The Parkinson's disease (PD) evolves over an extended period of time with the onset occurring long before clinical signs begin to manifest. Characterization of the molecular events underlying the PD onset is instrumental for the development of diagnostic markers and preventive treatments but progress in this field is hindered by technical limitations. Risk factors are the obvious target of prevention; mutations in the GBA1 gene, encoding for the lysosomal -glucocerebrosidase (GCase) enzyme, have been associated with the highest risk of PD, while homozygous individuals invariably develop Gaucher’s disease (GD), a pathology characterized by several deficits including neuronal damages. GBA1 mutations impair GCase activity and generate a lysosomal disorder in macrophages considered the hallmark of GD, while in the brain most of the effects of GBA1 mutations have been so far attributed to the GCase deficit in neuronal cells. During my Ph.D. project, I have generated innovative reporter tools and applied different optical imaging approaches to study the activation of brain-protective response in models representative of prodromal phases of PD in vitro and in vivo. The study was focused on nuclear factor erythroid 2-related factor (NRF2), regulating antioxidant/detoxifying response, and the transcription factor EB (TFEB), the master regulator of autophagy and lysosomal pathways, as key signals underlying the early stage of neurodegeneration. In dopaminergic SK-N-BE neuroblastoma cells and in the substantia nigra pars compacta area of the mouse brain, we detected that Nrf2 activation precedes dopaminergic neurodegeneration driven by neurotoxin as demonstrated by cellular, in vivo and ex vivo optical imaging, a finding confirmed by co-localization experiments carried out by immunohistochemistry. Since activation of this transcription factor anticipates dopaminergic neurodegeneration, I focused the study on the cross-talk between a potential PD triggering signal, namely inhibition of the GCase enzyme, and the Nrf2 signaling pathway. Remarkably, I discovered a novel mechanism of microglia-to-neuron communication mediated by cell-to-cell contact, supported by functional actin structures and by an efficient energetic metabolism. Surprisingly, the experiments performed in microglia/neuron co-cultures and in the brain of living mice provided compelling evidence that inhibition of microglial GCase interferes with the ability of these cells to stimulate the NRF2-mediated response in neurons resulting in increased neuronal susceptibility to a xenobiotic. Assays performed in co-culture suggest that counteracting such dysfunction by metabolic compensation could represent a potential therapeutic approach to decrease the risk of neurodegeneration. In conclusion, my thesis demonstrated that the developed reporter systems can be used to study the dynamic modulation of molecular pathways in the living brain; this technology has been developed in particular for the dynamic measurement of oxidative stress and lysosomal/autophagy pathways. Application of these systems allowed to demonstrate that GCase inhibition impairs microglia/neuron communication, thus increasing the susceptibility of neurons to detrimental insults. Taken together, the data identified a novel mechanism underlying the increased risk of neurodegeneration observed in carriers of GBA1 mutations and suggest novel therapeutic strategies for prevention.
Parkinson’s disease; Gaucher’s disease; microglia; NFE2L2; neuroprotection;Nrf2
Settore BIO/14 - Farmacologia
BETA-GLUCOCEREBROSIDASE MEDIATES MICROGLIAL NEUROPROTECTIVE FUNCTIONS: A POSSIBLE LINK BETWEEN PARKINSON'S AND GAUCHER'S DISEASES / E.a.s. Brunialti ; tutor: P. Ciana ; coordinator: A. L.Catapano. - : . Dipartimento di Oncologia ed Emato-Oncologia, 2021 Feb 16. ((33. ciclo, Anno Accademico 2020. [10.13130/brunialti-electra-athena-salome-_phd2021-02-16].
Doctoral Thesis
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