Identificazione dei fattori di rischio e dei meccanismi patogenetici coinvolti nella progressione della Sclerosi Laterale Amiotrofica e della Demenza Frontotemporale

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) and Frontotemporal Dementia (FTD) are two neurodegenerative disorders that share genetic causes and pathogenic mechanisms and are currently considered as the two extremes of an overlapping spectrum disorder called ALS-FTD . ALS and FTD are characterized by the accumulation of aggregated proteins that can exert toxic effects. The pathological protein inclusions mainly contain TDP-43, FUS and ubiquitinated proteins. The accumulation of aggregated proteins is prevented by the concerted action of molecular chaperones and degradation systems, which together constitute the protein quality control (PQC) system. Yet its function decline with aging, increasing cell vulnerability to protein homeostasis imbalance. Here we investigated how failure of the PQC can contribute to protein aggregation and cell toxicity in ALS-FTD. In particular, the PQC comprises a cytoplasmic and a nuclear arm that are tightly interconnected and share key-players. We postulated that an impairment of the nuclear arm of the PQC may have a negative impact onto the cytosolic PQC, contributing to protein aggregation in the cytoplasm. To address this question, we focused our attention on two stress-inducible condensates that serve as transient depository for misfolding-prone proteins: Promyelocytic Leukemia protein (PML) nuclear bodies (PML-NBs) and cytoplasmic stress granules (SGs). We found that alterations in PML-NB assembly can exert a negative effect on SG dynamics and affect proper compartmentalization of misfolded proteins, including defective ribosomal products (DRiPs). Additionally, we also report an impairment in PML-NB assembly in post mortem samples of ALS-FTD patients. These data suggest that defective PML-NB assembly may represent a novel pathomechanism in familial ALS-FTD. Next, although a minority of ALS cases displays a canonical mendelian inheritance, the vast majority of them results from a combination of both genetic and environmental factors. Recent evidence suggests that viral infection may aggravate ALS-FTD disease progression. Enteroviral infections, in particular, recapitulate some of the hallmarks of the disease. Here, we show that induced pluripotent stem cell-derived motor neurons with mutant C9orf72, the most frequent mutation associated with ALS-FTD, are more susceptible to infection with the enterovirus Coxsackievirus B3 (CVB3) compared with gene-corrected controls. Intriguingly, we found that mutant C9orf72 exacerbates CVB3-associated formation of TDP-43-positive stress granules, as well as cleavage of TDP-43 into toxic fragments that accumulate in ALS-FTD patients’ cells. Thus, mutations in C9orf72 might interact with enteroviral infections to aggravate the pathology. In summary, we could identify novel players implicated in ALS-FTD pathogenesis.

La Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) e la Demenza Frontotemporale (DFT) sono due malattie neurodegenerative che condividono cause genetiche e meccanismi patogenetici e sono attualmente considerate come i due estremi di un disturbo ad ampio spettro chiamato SLA-FTD. La SLA e la DFT sono caratterizzate dall'accumulo di proteine aggregate che possono esercitare effetti tossici. Le inclusioni proteiche patologiche contengono principalmente TDP-43, FUS e proteine ubiquitinate. L'accumulo di proteine aggregate è impedito dall'azione concertata di chaperon molecolari e sistemi di degradazione, che insieme costituiscono il sistema di controllo della qualità delle proteine (PQC). Tuttavia, la sua funzione diminuisce con l'invecchiamento, aumentando la vulnerabilità cellulare allo squilibrio dell'omeostasi proteica. Qui abbiamo studiato come il fallimento del PQC può contribuire all'aggregazione proteica e alla tossicità cellulare nella SLA-DFT. In particolare, il PQC comprende un braccio citoplasmatico e un braccio nucleare che sono strettamente interconnessi e condividono attori chiave. Abbiamo ipotizzato che una compromissione del braccio nucleare del PQC possa avere un impatto negativo sul PQC citosolico, contribuendo all'aggregazione proteica nel citoplasma. Per rispondere a questa domanda, abbiamo focalizzato la nostra attenzione su due condensati inducibili dallo stress che fungono da deposito transitorio per le proteine inclini al misfolding: i corpi nucleari della proteina leucemia promielocitica (PML-NB) e granuli di stress citoplasmatici (SG). Abbiamo scoperto che le alterazioni nell'assemblaggio dei PML-NB possono esercitare un effetto negativo sulle dinamiche dei SG e influenzare la corretta compartimentazione delle proteine mal ripiegate, compresi i prodotti ribosomiali difettosi (DRiP). Inoltre, riportiamo anche una compromissione nell'assemblaggio dei PML-NB in campioni post mortem di pazienti affetti da SLA-DFT. Questi dati suggeriscono che l'assemblaggio difettoso di PML-NB può rappresentare un nuovo meccanismo patologico nella SLA-DFT familiare. Inoltre, sebbene una minoranza di casi di SLA mostri un'eredità mendeliana canonica, la stragrande maggioranza di essi deriva da una combinazione di fattori sia genetici che ambientali. Recenti evidenze suggeriscono che le infezioni virali possono aggravare la progressione della malattia SLA-DFT. Le infezioni enterovirali, in particolare, ricapitolano alcuni dei tratti distintivi della malattia. Qui, mostriamo che i motoneuroni derivati da cellule staminali pluripotenti indotte con mutazioni nel gene C9orf72, che è la mutazione più frequente associata alla SLA-DFT, sono più suscettibili all'infezione con l'enterovirus Coxsackievirus B3 (CVB3) rispetto ai controlli con correzione genica. Inaspettatamente, abbiamo scoperto che la mutazione del C9orf72 esacerba la formazione di granuli da stress TDP-43-positivi indotta dal CVB3, così come la scissione di TDP-43 in frammenti tossici che si accumulano nelle cellule dei pazienti con SLA-DFT. Pertanto, le mutazioni nel gene C9orf72 potrebbero interagire con le infezioni enterovirali per aggravare la patologia. In sintesi, abbiamo identificato nuovi fattori implicati nella patogenesi della SLA-DFT.