Insights into the spreading of ataxin-2 through extracellular vesicles

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Costa, Rafael Gomes da
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.1/17753
Resumo: Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is a neurodegenerative polyglutamine disease caused by an aberrant expansion of the trinucleotide CAG in the coding region of the ATXN2 gene. As a result, ataxin-2, the protein product resulting from this gene, harbors an abnormally expanded polyglutamine tract, which renders it more prone to aggregation and consequent formation of inclusion bodies within the brain of SCA2 patients. Moreover, a toxic gain-of-function of ataxin-2, accompanied by the reported toxicity of an ATXN2 antisense RNA, are thought to induce cellular alterations with subsequent neuronal death. Although only some neuroanatomical regions are primarily affected in SCA2, the neurodegeneration process seems to progress towards other brain regions, in latter stages of the disease. Nevertheless, the mechanisms responsible for this apparent disease spreading phenomenon have never been addressed. In the last decade, recurrent evidence has shown that extracellular vesicles (EVs) can mediate neuron-neuron transfer of aggregate-prone proteins associated with many neurodegenerative diseases. In some cases, it was also reported that this mechanism can induce toxicity in healthy recipient cells, suggesting an explanation for disease spreading. This study aimed to investigate the possibility of ataxin-2, in its protein and/or mRNA forms, being intercellularly transferred, similarly to what has been reported for proteins involved in neurodegenerative diseases. We show that eGFP-tagged ataxin-2 can be detected in non-transfected neuroblastoma cells when these are cultured in conditioned medium derived from eGFP-ataxin-2-transfected cells. Moreover, we show that ataxin-2 mRNA was found within two different types of extracellular vesicles, which were able to induce the formation of ataxin-2 aggregate-like structures within recipient cells, both in vitro and in vivo. Overall, this study suggests for the first time that EV-mediated transport of ataxin-2 mRNA can induce the formation of ataxin-2 aggregates in healthy recipient cells, possibly representing a novel mechanism involved in SCA2 pathogenesis.
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spelling Insights into the spreading of ataxin-2 through extracellular vesiclesSpinocerebellar ataxia type 2 (SCA2)Ataxin -2Extracellular vesiclesExosomesMicrovesiclesDisease spreading.Domínio/Área Científica::Ciências Médicas::Outras Ciências MédicasSpinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is a neurodegenerative polyglutamine disease caused by an aberrant expansion of the trinucleotide CAG in the coding region of the ATXN2 gene. As a result, ataxin-2, the protein product resulting from this gene, harbors an abnormally expanded polyglutamine tract, which renders it more prone to aggregation and consequent formation of inclusion bodies within the brain of SCA2 patients. Moreover, a toxic gain-of-function of ataxin-2, accompanied by the reported toxicity of an ATXN2 antisense RNA, are thought to induce cellular alterations with subsequent neuronal death. Although only some neuroanatomical regions are primarily affected in SCA2, the neurodegeneration process seems to progress towards other brain regions, in latter stages of the disease. Nevertheless, the mechanisms responsible for this apparent disease spreading phenomenon have never been addressed. In the last decade, recurrent evidence has shown that extracellular vesicles (EVs) can mediate neuron-neuron transfer of aggregate-prone proteins associated with many neurodegenerative diseases. In some cases, it was also reported that this mechanism can induce toxicity in healthy recipient cells, suggesting an explanation for disease spreading. This study aimed to investigate the possibility of ataxin-2, in its protein and/or mRNA forms, being intercellularly transferred, similarly to what has been reported for proteins involved in neurodegenerative diseases. We show that eGFP-tagged ataxin-2 can be detected in non-transfected neuroblastoma cells when these are cultured in conditioned medium derived from eGFP-ataxin-2-transfected cells. Moreover, we show that ataxin-2 mRNA was found within two different types of extracellular vesicles, which were able to induce the formation of ataxin-2 aggregate-like structures within recipient cells, both in vitro and in vivo. Overall, this study suggests for the first time that EV-mediated transport of ataxin-2 mRNA can induce the formation of ataxin-2 aggregates in healthy recipient cells, possibly representing a novel mechanism involved in SCA2 pathogenesis.A ataxia espinocerebelosa tipo 2 (SCA2, do inglês spinoceberellar ataxia type 2) é uma doença neurodegenerativa que pertence ao grupo das doenças de poliglutaminas. A SCA2 é causada por uma expansão aberrante de uma região repetida de codões CAG presente na região codificante do gene ATXN2. Esta mutação resulta na síntese de uma proteína denominada ataxina-2, que contém uma sequência repetitiva de glutaminas anormalmente expandida, na sua região N-terminal. Os monómeros de ataxina-2 mutante tendem a agregar, levando à formação de oligómeros e, eventualmente, de agregados proteicos de natureza amilóide. De facto, uma das características da SCA2, à semelhança de outras doenças de poliglutaminas, é a presença de agregados proteicos constituídos por diversas proteínas no tecido nervoso dos doentes, denominados de corpos de inclusão. Contudo, existe uma grande incerteza no que concerne à possibilidade de estes agregados serem a causa direta da toxicidade observada na SCA2, uma vez que alguns estudos sugerem a ausência de correlação entre a presença de agregados e neurodegeneração. De facto, à semelhança do que acontece no contexto de outras doenças neurodegenerativas, alguns autores sugerem a possibilidade de pequenas espécies proteicas, como os oligómeros de ataxina-2, constituírem a verdadeira causa de toxicidade, enquanto a agregação macromolecular destas espécies poderá constituir um mecanismo celular de proteção, que pode contrariar a morte neuronal. Por outro lado, a ataxina-2 mutante poderá interagir de forma aberrante com certas proteínas ou perder a sua capacidade intrínseca de se associar com outras, resultando num quadro geral de disfunção da ataxina-2. Consequentemente, a falta de ataxina-2 funcional poderá levar a mecanismos de patogénese que incluem disfunção da autofagia, efeitos deletérios resultantes do processamento aberrante de pré-mRNA, toxicidade mediada por RNA, aumento de stress oxidativo, alterações na sinalização celular e perturbações na homeostasia de cálcio. Tanto a presença de agregados de ataxina-2 como o processo de neurodegeneração são especialmente marcados em regiões particulares do encéfalo, nomeadamente no cerebelo e ponte dos doentes de SCA2. Contudo, a neurodegeneração aparenta estender-se a outras regiões neuroanatómicas, concomitantemente à progressão da doença. Apesar da aparente seletividade regional onde a morte neuronal ocorre, os mecanismos responsáveis pela sua propagação até diferentes áreas anatómicas interconectadas permanecem pouco compreendidos na SCA2, bem como no contexto de outras doenças neurodegenerativas. Durante a última década, diversos estudos têm vindo a demonstrar a participação de vesículas extracelulares na propagação de proteínas com conformações aberrantes, associadas a diversos processos neurodegenerativos. Em alguns casos, verificou-se que este tipo de mecanismo de transporte intercelular constituía uma verdadeira causa de propagação de toxicidade para células saudáveis, sustentando a hipótese da existência de um mecanismo de disseminação de doença. As vesículas extracelulares são estruturas delimitadas por uma bicamada lipídica, que são secretadas, virtualmente, por todos os tipos celulares. Existem diversos tipos de vesículas extracelulares que diferem fisicamente, molecularmente e funcionalmente entre si. Contudo, existe um conjunto de sobreposições de caraterísticas entre os diferentes grupos de vesículas extracelulares que dificultam a sua correta caracterização e classificação. Apesar das diferenças, na sua generalidade, as vesículas extracelulares são capazes de transportar um conjunto de cargas variadas entre células, nomeadamente proteínas, lípidos e diversos tipos de RNAs, que podem, potencialmente, influenciar o comportamento da célula que as internaliza, seja num contexto fisiológico ou patológico. O facto de as vesículas extracelulares serem recorrentemente implicadas na propagação de proteínas com conformação aberrante em diversas doenças neurodegenerativas levou-nos a questionar se este potencial mecanismo de disseminação de doença poderia existir na SCA2 e, assim, explicar, pelo menos em parte, a progressiva neurodegeneração que é observável nos doentes. Deste modo, o objetivo principal deste trabalho consistiu em determinar se a ataxin-2 ou o seu transcrito de mRNA são transportados intercelularmente e se este processo contribui para a propagação de um fenótipo de doença. Na primeira parte deste estudo, observámos que a incubação de células de neuroblastoma de murganho (N2a) com meio condicionado obtido a partir de células que expressam ataxina-2 humana conduz à deteção da proteína humana naquelas células. Adicionalmente, verificámos que o mRNA da forma humana da ataxina-2 mutante se encontra presente em dois tipos diferentes de vesículas extracelulares (exossomas e microvesículas) obtidas a partir de células N2a que expressam a proteína humana. Observámos, ainda, que ambos os tipos de vesículas extracelulares isolados foram capazes de induzir, em células N2a, a formação de estruturas intracelulares semelhantes a agregados de ataxina-2, que aumentaram em número e volume de forma progressiva. Na segunda parte deste trabalho, averiguámos a possibilidade de as vesículas extracelulares serem capazes de propagar a forma humana da ataxina-2 mutante por diferentes regiões do encéfalo de murganhos. Para isso, isolámos exossomas e microvesículas de células N2a que expressavam a ataxina-2 mutante e injetámos, separadamente, as vesículas extracelulares no ventrículo lateral direito dos animais, através de cirurgia estereotáxica. Vinte e quatro horas depois, verificámos a presença de foci contendo ataxina-2 em diversas regiões anatómicas do encéfalo, em diferentes graus de abundância. Por exemplo, as células de Purkinje do cerebelo, que se sabem estarem especialmente afetadas na SCA2, apresentavam uma maior quantidade de foci, comparativamente ao caudoputamen. Por outro lado, as células das camadas granular e molecular do cerebelo não mostravam qualquer presença destas estruturas. Estas discrepâncias observadas poderão ser explicadas pela especificidade de internalização das vesículas extracelulares, que poderá variar de acordo com o tipo celular que as internaliza. Em conclusão, este estudo sugere pela primeira vez que a ataxina-2 mutante é transportada intercelularmente, pelo menos na forma de mRNA, através de vesículas extracelulares que promovem a formação de agregados de ataxina-2 em células saudáveis. Este processo poderá contribuir para a patofisiologia da SCA2 e para a seletividade regional da neurodegeneração que se verifica na doença.Nóbrega, ClévioMatos, Carlos A.SapientiaCosta, Rafael Gomes da2021-11-262024-11-26T00:00:00Z2021-11-26T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.1/17753TID:202913597enginfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-24T10:29:58Zoai:sapientia.ualg.pt:10400.1/17753Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:07:38.819391Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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