Genetic and clinical modifiers in Duchenne muscular dystrophy

La distrofia muscolare di Duchenne (DMD) è una malattia neuromuscolare causata da mutazioni del gene codificante per la distrofina (DMD) che ne impediscono la produzione. Sebbene tutti i pazienti affetti da DMD condividano lo stesso difetto biochimico di distofina, a livello fenotipico è osservabile una grande varietà in termini di progressione della malattia, ad esempio nell'età di perdita della deambulazione o nell'età di insorgenza di complicanze cardiache e respiratorie. Questa variabilità è dovuta a diversi fattori, alcuni di origine ambientale (ad esempio la qualità delle cure a cui hanno accesso i malati) e altri di natura genetica, suddivisibili in cis-acting, ossia l'effetto dei diversi tipi di mutazioni nel gene DMD sul fenotipo, e trans-acting, ovvero l'effetto di SNPs modificatori sul fenotipo. Questi ultimi sono polimorfismi in geni diversi da quello causativo della malattia, che hanno però un effetto sul suo fenotipo. Usando come outcome la perdita della deambulazione sono stati individuati numerosi SNPs modificatori, quali: rs28359074 in SPP1, rs2303729, rs1131620, rs1051303 e rs10880 in LTBP4, rs1883832 e rs6074022 in CD40, rs1815739 in ACTN3, rs2725797 and rs2624259 in THBS1. L'obiettivo del mio percorso di dottorato è stato lo studio della variabilità genetica e clinica nella distrofia muscolare di Duchenne, conducendo indagini in vitro e studi osservazionali retrospettivi. Il primo approccio è stato utilizzato per verificare l'interazione dello SNP modificatore rs28357094 nel gene SPP1, codificante la proteina osteopontina (OPN), e il trattamento farmacologico con glucocorticoidi (nello specifico deflazacort) in mioblasti e miotubi primari derivati da controlli sani e da pazienti DMD. Lo studio ha messo in evidenza che l'osteopontina è sovraespressa in miotubi con genotipo TG per lo SNP rs28357094, rispetto a TT. Inoltre, è stato rilevato che il trattamento con Deflazacort induce l'aumento della produzione di OPN solo nei miotubi con genotipo TG. Questi risultati hanno confermato l'interazione tra il modificatore genetico e il trattamento con glucocorticoidi, sottolineando l'importanza del genotipo di rs28357094 nella risposta al trattamento farmacologico nei pazienti DMD. Successivamente, il nostro interesse si è rivolto allo studio dell'effetto non solo degli SNPs modificatori, ma anche dell'effetto delle diverse mutazioni nel gene della distrofina (DMD) e del trattamento farmacologico sul decorso della malattia nei pazienti DMD, focalizzando la nostra attenzione su diversi aspetti fenotipici, quali: la performance degli arti superiori, la funzione respiratoria e cardiaca. L'obiettivo di questi studi, resi possibili dalla collaborazione di numerosi centri italiani nella raccolta dei dati clinici, è stato quello di evidenziare potenziali nuovi target terapeutici e di fornire importanti informazioni per la stratificazione dei pazienti nel corso dei trial clinici. Il nostro lavoro ha permesso di confermare l'influenza di alcuni degli SNPs, noti per il loro effetto sulla perdita della deambulazione, anche su altri parametri clinici consentendoci di identificare misure di efficacia clinica nella DMD. E' stato poi possibile documentare l'effetto protettivo del trattamento con glucocorticoidi anche su aspetti della malattia non strettamente correlati alla deambulazione, come la funzionalità respiratoria e cardiaca e dimostrare come alcune mutazioni nel gene DMD abbiano effetti diversi sull'espressione del fenotipo dei pazienti. Infine, il mio interesse si è rivolto al modelling di malattie neuromuscolari in sistemi di coltura tridimensionali, con lo scopo di far luce sui meccanismi molecolari causativi e fornire piattaforme utili per la ricerca e il test di molecole con azione farmacologica.

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a neuromuscular disease caused by out-of-frame mutations in the DMD gene resulting in the lack of dystrophin in skeletal muscle fibres. Even though all DMD patients share the same molecular defect, it is possible to observe high variability in the disease's progression, i.e. differences in loss of ambulation age, onset of respiratory and cardiac failure. This variability is due both to environmental and genetic factors. Genetic factors may be divided in cis-acting, nominally the type of DMD mutation, and trans-acting, or modifier SNPs. These are polymorphisms in genes, different from the causative DMD, that have and effect on the phenotype. There are several modifier SNPs known to alter age at loss of ambulation. These are: rs28359074 in SPP1, rs2303729, rs1131620, rs1051303 e rs10880 in LTBP4, rs1883832 e rs6074022 in CD40, rs1815739 in ACTN3, rs2725797 e rs2624259 in THBS1. The main goal of my PhD was the study of clinical and genetic variability in DMD, through in vitro and observational retrospective studies. We carried an in vitro research to verify the interaction of rs28357094 in SPP1, that codifies for osteopontin (OPN), and glucocorticoids treatment (Deflazacort) in primary myoblasts and myotubes derived from healthy individuals and DMD patients. We found that OPN is overexpressed in rs28357094 TG genotype myotubes, compare to TT genotype. Moreover, deflazacort treatment induces an increase in OPN production in TG myotubes. These results confirmed the interaction between rs28357094 and glucocorticoids treatment. Afterwards, we studied the effect of the known modifiers, on multiple phenotypic aspects: upper limbs performance, respiratory and cardiac function. These analyses had been made possible thanks to the collaboration in the data collection phase of several Italian centres. Our goals were to find new potential therapeutic targets and to provide information useful for patients stratification in clinical trials. We were able to confirm the effect of some SNPs, known to be modifier of age at loss of ambulation, on diverse outcomes measures as performance of upper limbs, respiratory and cardiac function. Furthermore, we assess the protective effect of glucocorticoids treatments on diseases aspects other than ambulation, and provide new information about the correlation between DMD mutations and phenotype severity. Finally, I switched my interest to three-dimensional modelling of neuromuscular diseases, aiming to clarify pathological mechanisms and provide a versatile platform for drug screening and test.