Impact of astrocytic calcium suppression in the pathogenesis of Machado-Joseph disease

Abstract

A doença de Machado-Joseph (DMJ) é uma doença neurodegenerativa hereditária rara, causada por uma expansão anormal de glutaminas na proteína Ataxina-3 (ATXN3), levando a uma degeneração lenta de células neuronais em regiões específicas do cérebro e da espinhal medula, conduzindo ao aparecimento de sintomas diversificados, maioritariamente motores. Embora a DMJ se caracterize por morte neuronal, outras células não-neuronais encontram-se envolvidas na patogénese da doença, incluindo os astrócitos. A astrogliose é um achado patológico comum em pacientes com DMJ e em modelos animais da doença, incluindo o modelo transgénico da DMJ gerado no nosso laboratório – o ratinho CMVMJD135. Neste modelo, foi encontrado um aumento da reatividade astrocítica na espinhal medula e na substância nigra, mas não nos núcleos pônticos, sugerindo uma especificidade regional. Também, neste modelo de ratinho, os animais apresentam um perfil inflamatório alterado nos estágios finais da doença. Para além disto, em estudos in vitro foi descrito que a proteína mutante ATXN3 interage com o recetor IP3R1 e afeta a sua função. Com base nestas observações, nós levantamos a hipótese que o mesmo acontecesse com o recetor IP3R2 que apresenta grande homologia com o primeiro. No cérebro de roedores, o recetor IP3R2 é predominantemente expresso nos astrócitos, onde desempenha um papel crucial na via de sinalização do Cálcio (Ca2+) e modula as ondas de Ca2+ características destas células. Neste trabalho questionámos se alterações na sinalização do Ca2+ nos astrócitos contribuiriam para a progressão da DMJ. Para averiguar esta questão, usámos um ratinho mutante cuja sinalização de Ca2+ intracelular nos astrócitos se encontra alterada - os ratinhos IP3R2 KO - que cruzámos com o modelo de ratinho CMVMJD135. Em seguida, fizemos uma caracterização longitudinal extensa do comportamento deste duplo mutante. Em suma, os resultados de um painel de testes comportamentais demonstram que, em geral, o duplo mutante não apresenta um comportamento diferente do modelo da DMJ; no entanto, foram encontradas alterações pontuais ligeiras na marcha destes animais. Os resultados sugerem que a ablação do IP3R2 no contexto da DMJ não tem uma função neuroprotetora nem, por outro lado, neurotóxica, visto que funcionalmente não foram encontradas alterações significativas.

Machado-joseph disease (MJD) is a rare inherited neurodegenerative disease, caused by an abnormal glutamine expansion within the protein Ataxin-3 (ATXN3), leading to a slow neuronal degeneration of specific brain regions and spinal cord, resulting in a wide variety of symptoms, mainly motor-related. Despite the well-known neuronal death, other non-neuronal cells are involved in MJD pathogenesis, including astrocytes. Astrogliosis is a common pathological finding in MJD and has been found both in humans and in animal models of the disorder, including the MJD mouse model generated in the lab – the CMVMJD135 mouse model. In the CMVMJD135 mice, astrocytic reactivity was found in the spinal cord and substancia nigra but not in the pontine nuclei, suggesting a region-specific astrocytic involvement. Also, in this mouse model, an altered inflammatory profile was observed in late stages of the disease. Besides that, in in vitro studies it was described that the mutant ATXN3 physically interacts with the IP3R1 receptor and affects its function. Based on these observations, we hypothesized that the same would happen with the IP3R2 receptor, which has great homology with the first. In the rodent brain, the IP3R2 receptor is predominantly expressed in astrocytes, in which it plays a crucial role in calcium (Ca2+) signalling and modulates the “Ca2+ waves” characteristic of these cells. In this study, we asked whether abnormal Ca2+ signalling in astrocytes could contribute to MJD disease process. To answer this question, we took advantage of a mutant mouse model with disturbed global intracellular Ca2+ signalling in astrocytes - the IP3R2 KO mice - that we crossed with the CMVMJD135 mouse model. Then, we performed an extensive longitudinal behavioural characterization of the double mutant mice. Globally, the results of a panel of behavioural tests demonstrate that the double mutants do not present a different behaviour from the transgenic mice of MJD; nevertheless, mild detrimental effects on the gait of the double mutant mice were found. Together, these results suggest that the ablation of IP3R2 receptor in the context of MJD do not have a neuroprotective nor a neurotoxic function, since functionally no significant alterations were found.