Alterazioni della plasticità cerebrale nella sindrome dell'X Fragile: analisi dell'espressione di marcatori chiave nell'encefalo del modello murino knock-out per il gene Fmr1

Fragile X syndrome (FXS) is a rare neurodevelopmental genetic disorder and is currently considered the leading monogenic cause of intellectual disability and autism. The condition is caused by an abnormal expansion of the CGG trinucleotide repeat in the FMR1 gene, located on the long arm of the X chromosome. When the number of repeats exceeds the critical threshold of 200 units, a methylation process of CpG islands in the gene promoter region is triggered, leading to the silencing of FMR1 and the consequent absence of FMRP protein synthesis. FMRP plays a crucial role in the development and maturation of the central nervous system by regulating the translation of numerous mRNAs at both the somatic and synaptic levels. Its absence results in dysregulation of various target proteins, including matrix metalloproteinase 9 (MMP-9), a zinc-dependent enzyme involved in extracellular matrix remodeling. Increased MMP-9 activity contributes to the degradation of perineuronal nets (PNNs), specialized extracellular matrix structures that predominantly surround GABAergic parvalbumin-positive (PV+) interneurons. PNNs play a key role in restricting synaptic plasticity and stabilizing mature neural circuits. Excessive degradation of these structures impairs synaptic plasticity and PV+ interneuron function, contributing to the cognitive and behavioral deficits typical of FXS. This study analyzed both the basal activity of MMP-9 on substrate and the distribution of PNNs in the brain of the Fmr1-KO mouse model, one of the most established preclinical models for FXS. The investigation of PNNs was carried out across various brain regions, age groups, and sexes, with the aim of evaluating potential alterations linked to critical periods of development and identifying temporal windows for future targeted therapeutic interventions. The analyses revealed a reduction in PNN density in most of the brain regions analyzed in knockout mice compared to wild-type controls, suggesting a possible involvement of PNNs in the synaptic plasticity alterations observed in FXS. In parallel, preliminary data on basal MMP-9 activity provide a foundation for future studies aimed at evaluating potential pharmacological strategies capable of modulating the activity of this metalloproteinase and, consequently, influencing PNN stability and neuronal plasticity.

La sindrome dell’X fragile (FXS) è una malattia genetica rara del neurosviluppo ed è attualmente considerata la principale causa monogenica di disabilità intellettiva e autismo. La patologia è causata da un’espansione anomala della sequenza ripetuta CGG nel gene FMR1, localizzato sul braccio lungo del cromosoma X. Quando il numero di ripetizioni supera la soglia critica di 200 unità, si innesca un processo di metilazione delle isole CpG nella regione promotrice del gene, con conseguente silenziamento di FMR1 e mancata sintesi della proteina FMRP. La FMRP svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo e nella maturazione del sistema nervoso centrale, partecipando al controllo della traduzione di numerosi mRNA sia a livello somatico che sinaptico. La sua assenza comporta un’alterazione dell’espressione di molte proteine bersaglio, tra cui la metalloproteinasi di matrice 9 (MMP-9), un enzima zinco-dipendente che interviene nel rimodellamento della matrice extracellulare. L’aumentata attività di MMP-9 è coinvolta nella degradazione delle reti perineuronali (PNN), strutture composte da proteoglicani che avvolgono principalmente gli interneuroni GABAergici parvalbumina-positivi (PV+). Le PNN svolgono un ruolo chiave nel limitare la plasticità sinaptica e nel conferire stabilità ai circuiti neuronali maturi. Una loro eccessiva degradazione compromette i processi di plasticità sinaptica e la funzionalità degli interneuroni PV+, contribuendo alle disfunzioni cognitive e comportamentali tipiche della FXS. In questo studio è stata analizzata da un lato l’attività basale di MMP-9 su substrato e, dall’altro, la distribuzione delle PNN nell’encefalo del modello murino Fmr1-KO, uno dei modelli preclinici più consolidati per la FXS. L’indagine sulle PNN è stata effettuata considerando diverse aree cerebrali, vari gruppi di età e il sesso degli animali, con l’obiettivo di valutare possibili alterazioni legate ai periodi critici dello sviluppo e identificare finestre temporali utili per futuri interventi terapeutici mirati. Le analisi hanno evidenziato una riduzione della densità delle PNN nella maggior parte dei domini cerebrali analizzati dei topi knock-out rispetto ai controlli wild-type, suggerendo un possibile coinvolgimento delle PNN nelle alterazioni della plasticità sinaptica osservate nella FXS. Parallelamente, i dati preliminari relativi all’attività basale di MMP-9 rappresentano un punto di partenza per futuri approfondimenti che si concentreranno sulla valutazione di potenziali strategie farmacologiche in grado di modulare l’attività di questa metalloproteinasi e, di conseguenza, la stabilità delle PNN e la plasticità neuronale.