Inherited defects in DNA damage signaling causing neuronal degeneration: understanding the mechanisms

Le malattie neurodegenerative ereditarie atassia telangectasia (A-T), atassia telangectasia-like disease (A-TLD) e sindrome di Nijmegen (NBS), sono causate da difetti genetici che inattivano rispettivamente ATM, Mre11 e Nbs1, tre proteine coinvolte nella riparazione del danno al DNA. Riguardo alle manifestazioni neurologiche, A-T e A-TLD presentano atassia cerebellare progressiva, mentre NBS microcefalia e ritardo mentale. I meccanismi che in queste malattie portano alla neurodegenerazione sono ancora da definire, anche se l’accumulo di danni al DNA, stress ossidativo e danni mitocondriali hanno un ruolo. Mediante l’uso di cellule ihNSCs (cellule staminali neurali umane), abbiamo dimostrato che la deplezione di ATM ritarda notevolmente la riparazione di danni al DNA genomico, riduce l'accumulo di HIF-1a e CAIX sia nella fase proliferativa che durante il differenziamento terminale in condizioni ipossiche, come pure la produzione di neuroni GABAergici e di oligodendrociti. Inoltre, gli oligodendrociti difettivi per ATM sono vulnerabili a condizioni di stress ossidativo. Utilizzando la tecnologia iPSC (cellule staminali pluripotenti indotte), abbiamo riprogrammato fibroblasti ottenuti da pazienti con A-T e da soggetti normali, e derivato da queste iPSCs delle linee cellulari proliferanti di precursori neurali (NPCs) che sono in grado di differenziare e maturare in vitro in neuroni ( > 90 % b- tubulina III+ / Map2 +). Abbiamo osservato che i neuroni A-T post-mitotici hanno un notevole difetto nella risposta e riparazione di danni alla doppia elica del DNA, e a dispetto di una normale attività elettrofisiologica, mostrano tuttavia difetti nell'espressione di marcatori quali SYP, PSD95, SCG10, KCHIP. Se confrontati ai neuroni normali, i neuroni A-T mostrano altissimi livelli di complessi Top1 covalentemente legati al DNA (Top1-cc), che potrebbero avere un effetto negativo a livello della trascrizione genica globale e sopravvivenza cellulare. Questi studi stanno fornendo conoscenze fondamentali sui meccanismi neurodegenerativi derivati da difetti genetici della riparazione del danno al DNA, come pure modelli cellulari per il modellamento della malattia in vitro e per screenings volti all’identificazione di sostanze ad attivita’ terapeutica.