Reversibility of the pathology in a mouse model of fragile X-associated tremor/ataxia syndrome : exploring time-dependence and intervention strategies

Abstract

Trinucleotide repeat expansion mutations in the 5’ untranslated region of the fragile X mental retardation-1 gene (fmr1) are the underlying genetic cause of four distinct disorders. Large expansions result in silencing of the fmr1 gene and its protein product fragile X mental retardation protein (FMRP) is not expressed. Lack of FMRP causes fragile X syndrome (FXS), the most common inherited cause of intellectual disability. Moderate expansions are referred to as premutations and are associated with fragile X-associated tremor/ataxia syndrome (FXTAS), fragile X-associated neuropsychiatric disorders (FXAND), and fragile X-associated primary ovarian insufficiency (FXPOI). The premutation disorders are distinct from FXS as they are caused by the aberrant RNA transcript of the fmr1 that generally drives a degenerative process within the tissues that are associated with each disorder. FXTAS is the incurable late onset manifestation of the premutation and is characterized by action tremor, cerebellar gait ataxia, Parkinsonism and cognitive decline with memory deficits. Intranuclear inclusions are considered to be the hallmark of the disorder and are formed by aggregation of a broad range of proteins and mRNA. FXTAS has been previously modelled in an inducible mouse that expresses moderately expanded repeats in the brain. The mice formed inclusions throughout the brain and had poor motor performance. Taking advantage of the inducible nature of the model, phenotypes that have not been previously addressed are investigated using various induction timelines. Early onset anxiety-related phenotypes, as well as late onset Parkinsonian phenotypes are identified. Parkinsonism is found to be paralleled by nigrostriatal degeneration in this model. Given that no cure exists for FXTAS, two treatment strategies are developed and tested in the inducible mice. The first strategy is based on modulation of protein turnover in order to limit aggregation via activation of autophagic degradation pathway. The second strategy is an antisense gene therapy that aims to inactivate the aberrant mRNA that contains the expanded repeat locus. Both strategies resulted in a decrease in the intranuclear inclusion pathology and an improvement in the motor performance of the inducible mice. Although various strategies have been previously applied to limit the pathogenesis of FXTAS, the approach presented here is the first evaluation of potentially translational strategies in a mammalian model of FXTAS. Thus, these strategies are novel and serve to fill an important gap in the research field of FXTAS with relevance to the other fmr1 premutation disorders.

Eine Expansion der Trinucleotidwiederholungen im 5‘ untranslatierten Bereich des fragile X mental retardation (fmr1) Gens ist Ursache für verschiedene Krankheiten. Eine moderate Expansion wird als Prämutation bezeichnet und steht im Zusammenhang mit fragile X-assoziiertem tremor/ataxia syndrome (FXTAS). Diese Krankheit wird von aberranten RNA-Transkripten verursacht, ist unheilbar und setzt spät ein. Sie ist charakterisiert durch Aktionstremor, cerebelläre Gangataxie, Parkinsonismus, sowie durch Gedächtnisdefizite und einer Abnahme der kognitiven Leistungsfähigkeit. Auf molekularer Ebene finden sich intranukleäre Einschlüsse, verursacht durch Aggregation von Proteinen und RNAs. In dieser Arbeit wurde ein induzierbares FXTAS-Mausmodel verwendet, für das intranukleäre Einschlüsse im Gehirn und motorische Defizite bereits beschrieben sind. Der induzierbare Charakter dieses Models erlaubte es den Einfluss der Prämutation in vershiedenen Entwicklungsstadien zu untersuchen und so den Angst-Phänotyp mit einer frühen, und den Parkinson-Phänotyp mit einer späten Induktion zu assoziieren. Darüberhinaus war Parkinsonismus von einer nigrostriatalen Degeneration begleitet. Da eine Heilung gegnwärtig nicht möglich ist, habe ich zwei Behandlungsstrategien entwickelt und getestet. Der erste Ansatz basiert auf der Manipulation des Protein-Turnovers um die Aggregation mithilfe einer Aktivierung des Autophagie-Degradierungsweges zu verhindern. Die zweite Strategie ist eine Antisense-Gentherapie mit dem Ziel der Inaktivierung aberranter mRNA. Beide Strategien führten zu einer Reduktion intranukleärer Einschlüsse und einer Verbesserung der motorischen Leistung. Zusammenfassend konnte ich in diesem Modell bislang unbeschriebene Symptomklassen identifizieren, die von der Prämutation verursacht werden, und zwei Behandlungsmöglichkeiten etablieren. Obwohl bereits einige Interventionsansätze in Invertebraten existieren, sind die hier präsentierten Interventionen die ersten im Säugetier, was translationales Potential birgt.