A novel RNA-targeted therapeutic approach for Alzheimer’s disease and Down syndrome

Abstract

A síndrome de Down (SD) é o tipo de deficiência intelectual mais comum no mundo, causada por uma triplicação parcial ou completa do cromossoma 21, que causa uma variedade de características físicas, alterações comportamentais e várias comorbidades. Curiosamente, indivíduos com SD desenvolvem muitos dos marcadores neuropatológicos encontrados no cérebro com doença de Alzheimer (DA), o que é parcialmente atribuído à presença de uma cópia extra do gene APP. Estes incluem declínio cognitivo, perdas de memória, défices neuronais e sinápticos, bem como os dois mecanismos neuropatológicos do cérebro com DA que causam acumulação de péptido β-amiloide (βA) e proteína Tau hiperfosforilada. Embora inicialmente βA tenha sido considerado o principal responsável pela patologia cerebral na DA, recentemente foi demonstrado que Tau é executor final da neurotoxicidade de βA no cérebro com DA, com a redução de Tau atenuando o mau funcionamento neuronal e os défices de memória. Curiosamente, foi demonstrado recentemente que a Tau tem um papel central noutras patologias cerebrais além da DA, como epilepsia, doença de Huntington, excitotoxicidade induzida por glutamato e depressão induzida por stress, elevando a Tau como mediador essencial de patologias cerebrais com diversas etiologias. Apesar das semelhanças na patologia cerebral em DA e SD, o papel da Tau no mau funcionamento neuronal em SD permanece indefinido. Uma vez que estratégias de redução de Tau foram recentemente apresentadas como intervenção terapêutica promissora para a DA, e considerando as semelhanças entre DA e SD, esta tese de Mestrado teve como objetivo avaliar a eficiência da redução de Tau como potencial estratégia terapêutica contra a patologia cerebral relacionada com a Tau no cérebro com DS, usando uma nova abordagem farmacológica: oligonucleótidos antisense (ASOs). Assim, projetamos, sintetizamos e testamos novos ASOs contra Tau de ratinho e humana, seguindo uma triagem que incluiu linhas celulares, neurónios primários e um modelo animal de SD, ratinhos Ts65Dn, complementada com análise molecular e comportamental. Assim, identificámos ASOs que reduziram com sucesso níveis de Tau, tendo um impacto promissor na melhoria dos défices comportamentais em ratinhos Ts65Dn. Análises neuro estruturais e proteómicas a decorrer irão confirmar o impacto benéfico destes ASOs contra a patologia cerebral em SD. Em conclusão, estes estudos de Mestrado fornecem novas perspetivas sobre o papel da Tau no estabelecimento da patologia cerebral em SD, contribuindo para os esforços mundiais relacionados com a oportunidade terapêutica de ASOs contra patologias cerebrais em SD e DA.

Down syndrome (DS) is the most common type of intellectual disability worldwide, caused by a partial or complete triplication of chromosome 21, which leads to a variety of physical traits, behavioural impairments, and several comorbidities. Interestingly, individuals with DS develop many of the neuropathological markers found in Alzheimer’s disease (AD) brain, which is suggested to be partially attributed to the presence of an extra copy of APP gene. These include cognitive decline, memory impairments, neuronal and synaptic deficits, as well as the two AD brain neuropathological mechanisms causing the accumulation of amyloid-β (Aβ) peptide and hyperphosphorylated Tau protein. While initially Aβ was considered the major responsible for the brain pathology in AD, Tau has been demonstrated for the past few years to be the final executor of Aβ neurotoxicity in AD brain with Tau reduction attenuating both neuronal malfunction and memory deficits. Interestingly, Tau is recently shown to obtain a central role in other brain disorders beyond AD such as epilepsy, Huntington’s disease, glutamate-driven excitotoxicity, and stress-driven depression, raising Tau as an essential mediator in brain pathologies with diverse aetiology. Despite the commonalities in AD and DS brain pathologies, the role of Tau in DS neuronal malfunction remains elusive. Since Tau reduction strategies are recently presented as an attractive therapeutic intervention against AD and considering the commonalities in AD and DS brain pathologies, this Master thesis aimed to monitor the efficiency of Tau reduction as a potential therapeutic strategy against Tau-related brain pathology in DS brain using a novel pharmacological approach: antisense oligonucleotides (ASOs). Thus, we designed, synthesized, and tested several novel ASOs against mouse and human Tau following a screening pipeline that included cell lines, primary neurons, and an animal model of DS, Ts65Dn mice. Our multiscale analysis included qRT-PCR, Western Blot, Immunofluorescence techniques as well as behavioural testing. After the above in vitro and in vivo screening, we have identified ASOs that successfully reduced Tau levels while first behavioural data show a promising ASOs impact on ameliorating behavioural deficits found in Ts65Dn mice. Further on-going neurostructural and proteomic analysis will confirm and extend the beneficial impact of these ASOs against DS brain pathology. In conclusion, these Master studies provide new insights to the role of Tau in the establishment of brain pathology in DS contributing to worldwide efforts related to ASO therapeutic opportunity against DS and AD brain pathologies.