Two functional genomics approaches investigating the nervous system: the role of Collagen VI in cognition and the importance of Glucocerebrosidase in myelinating cells

The central nervous system (CNS) is one of the most fascinating apparatus that scientists ever encountered. This is because it owns a complex and finely regulated structure, allowing to modulate our emotions and behaviours. The mammal brain is organized in different but connected districts that control all our behaviours and needs, from the most basic to the higher ones like abstract reasoning. On a small scale, these districts are made up by cells owning peculiar features, such as conducting electric impulses or sensing dangerous molecules. The functioning of the CNS is still very obscure because of its complexity, making its investigation not trivial. One of the major technological leaps that allowed to better understand the mechanisms occurring in the CNS is the generation of transgenic models, that allowed understanding the role of single genes and their involvement in pathological situations, even in specific cellular subset (conditional knockout) or from a certain life point onward (inducible knockout). In this PhD thesis, I exploited two genetically modified mouse models, targeting the extracellular matrix (ECM) protein Collagen VI, and the enzyme Glucocerebrosidase in myelin-forming cells, respectively. In the first case, the Col6a1-/- mouse, was used in the past as a tool to investigate the pathogenesis of human muscular diseases caused by mutations in Collagen VI genes. However, since this is a total knockout, the role of this protein could be explored also in other districts. During my PhD I studied the function of Collagen VI in the synaptic cleft of the neuromuscular junction (NMJ) and in the CNS. Our findings indicate that Collagen VI is deposited within the NMJ cleft and that its lack impairs the transmission of acetylcholine and alters the post-synaptic apparatus, supporting a role for NMJ defects in contributing to the muscular weakness observed in Collagen VI-related patients. Additionally, I was involved in a project aiming at understanding how lack of Collagen VI affects cognition. Behavioural alterations were indeed observed in our model, and for the first time, cognition was finely assessed in patients with Collagen VI-related myopathies. We detected deficient dopaminergic signalling in mice and suggested the involvement of meninges. These two projects represent a classical approach of in vivo functional genomics, where a transgenic model is used to study the role of a protein in different organs. But beside basic research, we also adopted a collaborative and translational approach to transfer the findings observed in mice to human patients, in view of broadening the understanding of Collagen VI-related diseases beyond the undeniable muscular issues. The other project I was involved during my PhD consisted in investigating the role of Glucocerebrosidase, or GBA1, in myelinating glia exploiting a conditional knockout mouse model. Myelination is carried out by Schwann cells in the peripheral nervous system and oligodendrocytes (OL) in the CNS. Their roles include both axonal insulation and trophic support. GBA1 is involved in the onset of a lysosomal storage disease called Gaucher disease (GD), and is considered a major genetic risk factor for Parkinson’s disease (PD). In both GD and PD, neurodegeneration is observed, but the contribution of oligodendroglial GBA1 has never been investigated: this is the first attempt to understand whether and how the lack of this enzyme impacts on myelinating glia survival (in particular OLs), and in turn on neuronal functionality. Taking advantage of different approaches, we assessed in vitro the possibility that GBA1 inhibition could affect lysosomal functioning and myelination in a line of OLs. Then we exploited the novel conditional mouse model and detected myelin involvement and neurodegenerative hallmarks, suggesting oligodendroglial GBA1 contribution to the onset of neuropathic features in PD and GD.

Il sistema nervoso centrale (SNC) è uno degli apparati più complessi che gli scienziati abbiano mai studiato, perché possiede una struttura complessa e finemente regolata che ci permette di modulare le nostre emozioni e i nostri comportamenti. Il cervello dei mammiferi è organizzato in diverse regioni che controllano tutti i nostri bisogni, dai più semplici ai più complessi, come il ragionamento astratto. Su scala più piccola queste regioni sono formate da cellule con peculiari caratteristiche, come la possibilità di trasmettere impulsi elettrici o di percepire la presenza di molecole dannose. La complessità del SNC ne rende la piena comprensione un’impresa ardua. Uno dei progressi scientifici che maggiormente hanno permesso di comprendere i meccanismi che regolano il funzionamento del SNC è stata la generazione di modelli transgenici, che consentono di studiare il ruolo di singoli geni anche in singoli tipi cellulari (knockout condizionali) o dopo la nascita (knockout inducibili). Durante il mio dottorato, ho utilizzato due modelli transgenici al fine di abolire in un caso la produzione di una proteina della matrice extracellulare (MEC), il collagene VI; nell’ altro caso l’enzima glucocerebrosidasi (GBA1), deleto specificamente nelle cellule della glia mielinizzante, ovvero nelle cellule di Schwann e negli oligodendrociti (OL). Il modello murino Col6a1-/- è uno strumento potente per comprendere la patogenesi delle malattie causate da mutazioni dei geni codificanti il Collagene VI. Essendo un knockout totale, il ruolo di questa proteina è stato esplorato in diversi distretti, tra cui la giunzione neuromuscolare e il SNC. I risultati ottenuti durante il mio dottorato indicano che il Collagene VI è depositato a livello della fessura sinaptica della giunzione, e che la sua assenza altera la trasmissione mediata dall’acetilcolina e l’apparato postsinaptico, indicando che la debolezza muscolare che si osserva nei pazienti con malattie del Collagene VI è anche riconducibile a difetti di trasmissione neuromuscolare. Inoltre, ho lavorato ad un progetto atto a comprendere come l’assenza di Collagene VI possa alterare il comportamento e le abilità cognitive. Questo tipo di alterazioni sono state osservate sia nel modello Col6a1-/- sia per la prima volta in pazienti con malattie del Collagene VI. Abbiamo identificato una difettiva trasmissione dopaminergica e proposto un meccanismo che coinvolge le meningi. Da un lato questi due progetti rappresentano un classico approccio di genomica funzionale, in cui un modello transgenico viene generato per studiare il ruolo di una proteina in diversi organi. Ma andando oltre la ricerca di base, è stato adottato un approccio traslazionale cercando di validare nei pazienti ciò che era stato osservato nel modello murino, al fine di ampliare le conoscenze relative alle malattie da Collagene VI. L’altro progetto in cui sono stata coinvolta durante il mio dottorato consiste nello studio di GBA1 specificatamente nella glia mielinizzante, in particolare negli OL. I loro ruoli principali consistono nell’assicurare propagazione saltatoria dell’impulso elettrico e supportare i neuroni. GBA1 è coinvolto nell’insorgenza di una malattia da accumulo lisosomiale chiamata malattia di Gaucher, ed è considerato un fattore di rischio per il morbo di Parkinson. In entrambe le malattie, si osserva neurodegenerazione ma il contributo di GBA1 oligodendrogliale non è mai stato investigato: questo progetto è il primo che tenta di capire se e in che modo l’assenza di questo enzima ha un impatto sugli OL e quindi sulla funzionalità neuronale. Usando differenti approcci, abbiamo valutato in vitro gli effetti dell’inibizione di GBA1 nella funzionalità lisosomiale e nella mielinizzazione. Successivamente abbiamo utilizzato la nuova linea condizionale dov’è stato osservato un coinvolgimento della mielina e degenerazione, che suggeriscono per la prima volta il contributo degli OL nella malattia di Gaucher e nel Parkinson.