Un nuovo approccio epigenetico per migliorare l’omeostasi nella distrofina muscolare di Duchenne

REPORT DEL PRIMO ANNO DEL PROGETTO DI RICERCA UN NUOVO APPROCCIO EPIGENETICO PER MIGLIORARE L’OMEOSTASI NELLA DISTROFIA MUSCOLARE DI DUCHENNE

Finanziato da Parent Project aps, il progetto coordinato da Giuseppina Caretti è uno dei quattro che ha ricevuto, attraverso il bando per la ricerca 2018, la tipologia di finanziamento detta Fast Track di importo di 20.000€. Il progetto è iniziato a luglio del 2019 e ha una durata di due anni. Precedenti studi del gruppo di ricerca hanno dimostrato che la somministrazione degli inibitori BET migliora la funzionalità e lo stato del muscolo in un modello per la distrofia muscolare di Duchenne (il topo mdx). L’obiettivo è capire se gli inibitori BET riducono la fibrosi nel modello di topo mdx e se il trattamento vada a influenzare l’azione delle cellule pre-fibrotiche. Gli inibitori BET sono una classe di farmaci che bloccano una famiglia di proteine contenenti bromodomini e domini extra-terminali (BET)

La distrofia muscolare di Duchenne (DMD) colpisce 1 su 5000 maschi nativivi.. L’identificazione di nuovi bersagli molecolari coinvolti nella progressione della patologia è importante per individuare nuovi trattamenti e terapie efficaci.BRD4 è un fattore epigenetico che modula l’attivazione di molti geni invari tessuti. Diverse molecole che bloccano l’azione di BRD4 sono attualmente allo studio in trial clinici per diverse patologie neoplastiche.

In uno studio precedente, abbiamo mostrato come uno degli inibitori per la proteina BRD4, JQ1, sia in grado di prevenire l’atrofia muscolare e di ridurre i livelli di infiammazione, in un modello animale in cui l’atrofia muscolare è indotta dalla presenza di tumore. A partire da questi dati e dall’osservazione che i livelli di BRD4 aumentano nei muscoli di pazienti DMD e in muscoli del modello mdx, abbiamo deciso di studiare il ruolo di BRD4 nel muscolo distrofico e di valutare l’effetto del trattamento con JQ1 sulla fisiopatologia del muscolo mdx.

Nei muscoli dei topi mdx trattati con la molecola JQ1 abbiamo osservato un miglioramento morfologico e il ripristino di alcuni processi soppressi nel muscolo mdx, quali per esempio l’autofagia (è un percorso catabolico che permette alle cellule di eliminare rapidamente strutture indesiderate che vengono a formarsi al loro interno).

Le alterazioni nel metabolismo delle specie reattive dell’ossigeno (i radicali liberi ROS) sono un evento precoce nell’insorgenza della DMD e sono strettamente collegate a infiammazione, fibrosi e necrosi nel muscolo scheletrico. Di recente è stata evidenziata anche una relazione causale tra aumento dei ROS e il blocco dell’autofagia nel muscolo mdx.

Studiando i livelli di ROS, abbiamo osservato che il trattamento con JQ1 riduce lo stress ossidativo nei muscoli dei topi mdx. Analogamente, JQ1 limita la produzione di ROS anche in un modello in vitro, in cui lo stress ossidativo è indotto dal trattamento con acqua ossigenata.

Ripristinando il metabolismo dei ROS, l’inibizione di BRD4 migliora anche alcuni caratteri distintivi del muscolo distrofico, riducendo infiammazione e fibrosi, e ripristinando l’autofagia.

Nel complesso questi eventi si traducono anche in un effetto benefico sulla funzione muscolare del topo, migliorando la resistenza nella corsa su tapis roulant e la performance in altri test funzionali.

Da un punto di vista molecolare, abbiamo osservato che BRD4 attiva l’espressione di alcune subunità della NADPH ossidasi, un complesso enzimatico chiave nella produzione dei ROS nel muscolo.

L’associazione diretta di BRD4 alle regioni regolatrici delle subunità della NADPH ossidasi aumenta nel muscolo mdx e induce alti livelli di espressione di questo complesso enzimatico. Al contrario, il trattamento con JQ1 riduce i trascritti delle subunità NADPH ossidasi, sia nel muscolo mdx che in mioblasti immortalizzati di pazienti DMD.

I nostri dati evidenziano nuove funzioni della proteina BRD4 nel muscolo scheletrico distrofico e incoraggiano ulteriori studi con inibitori di BRD4 attualmente impiegati nell’uomo, che potrebbero rappresentare un nuovo approccio adiuvante nel miglioramento della fisiopatologia della DMD.

UN NUOVO APPROCCIO EPIGENETICO PER MIGLIORARE L’OMEOSTASI NELLA DISTROFIA MUSCOLARE DI DUCHENNE – REPORT FINALE

Finanziato da Parent Project aps, il progetto coordinato da Giuseppina Caretti è uno dei quattro che ha ricevuto, attraverso il bando per la ricerca 2018, la tipologia di finanziamento detta Fast Track, per l’ importo di 20.000€. Il progetto è iniziato a luglio del 2019 e ha avuto una durata di due anni. Precedenti studi del gruppo di ricerca hanno dimostrato che la somministrazione degli inibitori BET migliora la funzionalità e lo stato del muscolo in un modello per la distrofia muscolare di Duchenne (il topo mdx). L’obiettivo è stato capire se gli inibitori BET riducono la fibrosi nel modello di topo mdx e se il trattamento vada a influenzare l’azione delle cellule pre-fibrotiche. Gli inibitori BET sono una classe di farmaci che bloccano una famiglia di proteine contenenti bromodomini e domini extra-terminali (BET).

Nel secondo anno del progetto finanziato da Parent Project aps, il team della professoressa Caretti ha focalizzato l’attenzione su due modelli di studio:

il modello murino mdx a un’età di 12 mesi, per verificare se gli effetti migliorativi del trattamento con l’inibitore di JQ1 (molecola in grado di prevenire l’atrofia muscolare e di ridurre i livelli di infiammazione) fossero osservabili anche quando alcune caratteristiche fisiopatologiche della patologia, quali la fibrosi, sono più evidenti
un modello cellulare, derivato da cellule muscolari immortalizzate derivate da biopsie di pazienti affetti dalla distrofia muscolare di Duchenne.
Studiando l’impatto degli inibitori delle proteine BET in topi mdx di 12 mesi, in cui l’accumulo fibrotico è particolarmente accentuato, sono state osservate una riduzione dei livelli di proteine coinvolte nella fibrosi e la diminuzione della deposizione di fibre di collagene nei muscoli tibiali. Le analisi morfologiche con colorazioni particolari e analisi dei trascritti hanno confermato una riduzione della fibrosi dopo la somministrazione dell’inibitore. In questa fase della progressione della patologia, il trattamento con gli inibitori BET ha anche portato a una riduzione dei livelli di marcatori infiammatori quali TNFα e IL6, confermando i dati ottenuti in topi mdx più giovani e i risultati di altri gruppi di ricerca, che hanno mostrato come le proteine BET abbiano un ruolo fondamentale nel promuovere la risposta infiammatoria, in diverse patologie e contesti cellulari.

Per studiare i meccanismi molecolari alla base della riduzione dei livelli di infiammazione e fibrosi, sono state valutate le modulazioni di alcuni fattori trascrizionali ed epigenetici, coinvolti nella regolazione di molecole coinvolte in questi processi;in particolare, le modulazioni del fattore trascrizionale NFkB e della deacetilasi Sirt1, in seguito a trattamento con gli inibitori delle proteine BET, nel modello mdx e nei modelli cellulari.

Infine, è stato utilizzato il modello derivato da cellule immortalizzate di mioblasti di pazienti Duchenne, al fine di confermare che i meccanismi di regolazione mediata dalle proteine BET, precedentemente osservate nel modello mdx, fossero rilevabili anche in questo modello cellulare. In particolare, l’attenzione del team di ricerca si è soffermata sul ruolo delle proteine BET nella regolazione dei livelli dei regolatori dello stress ossidativo e delle molecole pro-infiammatorie.

L’aumento dello stress ossidativo è un evento iniziale nello sviluppo della patologia del muscolo dei pazienti Duchenne e, a sua volta, causa necrosi delle cellule muscolari, inducendo danno muscolare e promuovendo l’infiltrato infiammatorio. Nel complesso, i dati di questo studio mostrano come quest’aumento dello stress ossidativo sia mediato, almeno in parte, dalle proteine BET, in particolare dalla proteina BRD4, che regola in modo diretto i livelli di proteine che portano alla formazione dei radicali liberi. Come noto dalla letteratura, l’aumento dello stress ossidativo è anche associato a un blocco del meccanismo di smaltimento di proteine e macromolecole non funzionanti, ossia l’autofagia, elemento caratteristico del muscolo distrofico. In seguito all’aumento dello stress ossidativo e al danno muscolare, incrementa anche l’infiammazione e di conseguenza l’induzione della fibrosi, ossia di diversi elementi che nel complesso portano a un peggioramento del danno muscolare, fino a compromettere la funzionalità del muscolo.

Come mostrato in figura, i dati sperimentali ottenuti nel modello mdx e nei modelli cellulari mostrano come gli inibitori delle proteine BET possano essere considerati modulatori importanti dello stress ossidativo e di conseguenza dei molteplici processi coinvolti nella fisiopatologia della distrofia di Duchenne.