Valutazione del profilo di espressione genica cerebrale nel modello murino per la mucopolisaccaridosi di tipo II (sindrome di Hunter) effettuata mediante tecnologia RNA-Seq

Hunter Syndrome (mucopolysaccharidosis type II, MPS II) is an inherited metabolic disease belonging to the wide group of lysosomal storage disorders (LSDs), including nearly 50 different pathologies. Although individually rare, these pathologies have a collective incidence from 1:4000 to 1:7000 live births, depending on the analyzed population. Most LSDs are due to single, or more rarely multiple, deficit of lysosomal enzymes, responsible of macromolecules degradation. Unmetabolized substrates result in multiorgan and multisystem diseases, which in the vast majority of the patients seriously affect also the central nervous system. Very little is known on LSDs pathophysiology and even less on the determinants of their neurological impairment. Since ERT (enzymatic replacement therapy) is getting promising results only in treatment of the LSDs without neurological involvement, because the enzyme cannot efficiently cross the blood brain barrier, more attention should be put in handling the cognitive and behavioral components of these pathologies. In this scenario, the comprehension of the neurological pathogenesis of these diseases, and in this specific case, of Hunter syndrome, becomes mandatory. Such understanding, although quite complex, might allow, among others, the development of new specific therapeutic strategies targeted to the brain. In this pre-clinic investigation, the murine MPS II model was used for a complex molecular analysis through high-throughput technology. RNAs from two different brain areas, cortex and midbrain, have been analyzed with next generation sequencing, by using SOliD® (Sequencing by oligo ligation and detection) technology. Although this technology is considered the most specific for RNA sequencing, it has not been extensively used so far due to its very high costs and to the complexity of the data analysis requiring advanced bioinformatics competence and a good capacity of software handling. RNA sequencing is a very powerful technology that, in contrast to microarray, can point out every single cellular transcript indistinctly. This work is a comparative study between brain areas derived from the IDS-knock-out and the healthy control mice. Data obtained, after alignment and filtration, have been classified according to Gene Ontology Domains, and analyzed by functional categories. The analysis has clearly pointed out the involvement of a wide group of genes and pathways implicated in neurological processes. Altered structures and cellular functions have been highlighted both through the analysis of terms that have the same alteration in the two cerebral areas and, in a more specific way, through the analysis of terms related to each area. This approach can underline genes whose altered expression is directly related to the cell pathological condition and, at the same time, genes with differential expression, representing instead specific pathways for the function of the brain area considered. Also the detection of alterations in genes involved in some common neurodegenerative diseases (as Parkinson’s and Alzheimer’s) could be very interesting; common pathways could be hypothesized for the disease development or as a consequence of the pathological state. The last part of this work has focused on some selected pathways that have been chosen as the most interesting candidates for the pathogenesis of the disease: heparan sulphate binding protein, calcium homeostasis, oxidative stress, autophagy, axon guidance, neuroinflammation, correlation with other neurodegenerative diseases and the growth hormone. A significant endocellular alteration, due to progressive increase of glycosaminoglican deposits and also of secondary deposits as gangliosides, could justify the involvement of proteins related to calcium metabolism, detected by the present analysis; since calcium plays an important ubiquitous messenger function in different biological processes, its role of leitmotiv in many pathways emerging from this analysis is not surprising. In conclusion, although very complex, the analysis here presented has highlighted the great power of this technology, due to its ability to detect, not only pathways obviously related to this disease, but also non-suspected pathways, whose role in the determination of the pathological condition has not been yet clarified.

La Sindrome di Hunter (o Mucopolisaccaridosi di tipo II, MPS II) è una patologia ereditaria appartenente al più vasto gruppo delle malattie da accumulo lisosomiale (Lysosomal Storage Disorders, LSDs), comprendente quasi 50 diverse patologie. Tali patologie, sebbene individualmente molto rare, presentano un’incidenza complessiva che va da 1:4000 a 1:7000, a seconda della popolazione considerata. Le LSDs, che risultano per lo più da deficit singoli, e più raramente multipli, di enzimi lisosomiali deputati alla degradazione di molecole complesse, sono devastanti malattie multiorgano e multisistemiche che, in buona parte dei casi, comprendono un coinvolgimento neurologico grave. Poco è noto tuttora sulla patofisiologia di queste sindromi e, ancor meno, sulle cause del loro deficit neurologico. Nel momento in cui alcune di queste patologie trovano finalmente beneficio dall’applicazione della terapia enzimatica sostitutiva, risalta maggiormente la problematica del trattamento della componente cognitiva e comportamentale. Essa infatti non trova beneficio da questi nuovi approcci terapeutici, poiché gli enzimi impiegati non sono in grado di attraversare la barriera emato-encefalica. Nasce da qui la necessità di comprendere la patogenesi neurologica di queste sindromi e, nel caso specifico di questo lavoro, della sindrome di Hunter. Tale comprensione, seppure molto complessa, potrebbe consentire, tra le altre cose, lo sviluppo di specifiche strategie terapeutiche mirate al cervello. In questo lavoro di ricerca preclinica, il modello murino per la MPS II è stato impiegato per effettuare una valutazione molecolare complessa attraverso l’impiego di tecnologie high throughput. RNA derivati da 2 aree cerebrali, la corteccia e il mesencefalo, sono stati analizzati mediante next generation sequencing, impiegando la procedura SOLiD® (Sequencing by Oligo Ligation and Detection). Questa tecnologia, seppure estremamente indicata proprio per il sequenziamento dell’RNA, è stata finora poco utilizzata a questo scopo, a causa dei costi ancora piuttosto elevati, ma soprattutto, a causa della complessità dell’analisi che richiede notevoli competenze bioinformatiche e capacità di gestione dei software. Il sequenziamento dell’RNA è una tecnologia estremamente potente in grado di evidenziare, a differenza della tecnica del microarray, tutti i trascritti cellulari in maniera indistinta. Il lavoro qui presentato è un’analisi di tipo comparativo tra le aree cerebrali dell’animale knock-out per l’IDS e le corrispondenti aree dell’animale sano di controllo. I dati, dopo la fase di allineamento e di filtrazione, sono stati classificati secondo i domini della Gene Ontology e analizzati in base alle principali categorie funzionali. L’analisi ha chiaramente evidenziato il coinvolgimento di molti geni e di parecchie vie specificamente implicati in processi neurologici. L’alterata struttura e funzione cellulare sono state evidenziate sia in modo generico, attraverso analisi di termini ugualmente alterati nelle due diverse aree cerebrali, sia in modo specifico, all’interno di ciascuna area cerebrale. Ciò consente di mettere in risalto i geni la cui alterata espressione è direttamente correlata allo stato di accumulo patologico della cellula e i geni con espressione differenziale che, invece, rappresentano pathways specifici per le funzioni svolte da quell’area cerebrale. Molto interessante potrebbe risultare anche l’alterazione di geni implicati in alcune comuni patologie neurodegenerative croniche quali il morbo di Alzheimer e di Parkinson. Vie comuni potrebbero essere ipotizzate per l’instaurarsi delle malattie o come conseguenza dello stato patologico. La parte finale dell’analisi ha preso in considerazione le vie di segnale e le correlazioni più interessanti, alcune delle quali già precedentemente considerate come potenziali candidati nella patogenesi delle malattie da accumulo lisosomiale: l'eparan solfato binding protein, l'omeostasi del calcio, lo stress ossidativo, il processo dell’autofagia, l'axon guidance, la neuroinfiammazione, la correlazione con altre malattie neurodegenerative e l'ormone della crescita. Una forte alterazione del comparto endocellulare dovuta al progressivo, patologico aumento dei depositi primari di glicosaminoglicani, ma anche di quelli secondari quali i gangliosidi, potrebbe giustificare il coinvolgimento delle proteine implicate nel metabolismo del calcio cellulare, rilevato da questo lavoro. Essendo poi il calcio un messaggero ubiquitario coinvolto in differenti processi biologici non stupisce il ruolo di filo conduttore in molti pathways, evidenziato da questa analisi. In conclusione, seppure fortemente complessa, l’analisi intrapresa in questo studio ha evidenziato le enormi potenzialità della procedura, dovute alla sua caratteristica capacità di mettere in luce, oltre a processi correlati in modo sospetto alla patologia, anche pathways non sospetti o la cui implicazione nella determinazione dello stato patologico non sia ancora stata definita.