Contributo delle cellule gliali alla patogenesi della deficienza da HIBCH studiato in Drosophila melanogaster

Leigh syndrome (LS) is a rare childhood disease characterized by severe neuro-developmental defects and by bilaterally symmetric brainstem or basal ganglia lesions, often associated with small cysts in the putamen/pallidum, and neurodegeneration. This condition is associated with progressive loss of mental and movement abilities and typically results in death within two to three years, usually due to respiratory failure. Early genetic diagnosis provides genetic counselling, and in cases offer early intervention for treatable conditions. More than 80 genes, largely impacting mitochondrial energy metabolism, can underlie LS. Unfortunately, no approved medicines exist nowadays to cure LS and further investigation is a need. LS has emerged as the main clinical phenotype described in 3-hydroxyisobutyryl-CoA hydrolase (HIBCH) deficiency, a rare autosomal recessive inborn error of valine catabolism. This enzyme, which is encoded by HIBCH gene, plays a major role in the valine catabolic pathway, and produces secondary deficiencies in the mitochondrial oxidative phosphorylation system and pyruvate dehydrogenase complex (PDHc). Its deficiency causes the accumulation of 3-hydroxyisobutyrylcarnitine and other intermediate metabolites of valine degradation, including methacrylyl-CoA. Methacrylyl-CoA is a highly reactive compound that can interfere with thiol-containing mitochondrial enzymes and co-factors. This mitochondrial toxicity might potentially explain the occurrence of symptoms characteristics of LS in individuals carrying HIBCH mutations. HIBCH deficiency suffers from a lack of model systems to investigate the molecular pathogenesis. For this reason, the mechanisms underlying the neurological impairment associated with this defect remains to be determined. The lack of models may contribute to the current paucity of therapeutic options, together with the low prevalence and severity of the disease, which limit the possibility to carry out clinical trials. The aim of this project is to exploit the fruit fly Drosophila melanogaster to create and validate a model of this metabolic defect. The animal model is based on the complete silencing of HIBCH gene, either through an RNA interference (RNAi) or through the CRISPR/Cas9 system, resulting in a complete absence of HIBCH enzyme, first in the whole animal body and later only in glial cells. Given the metabolic alterations typical of HIBCH deficiency, these cells are suspected to have a role in the pathogenesis of the disease, and for this reason are a focus in the investigation. The use of this model allowed to have an insight on the neurodegenerative processes typical of the disease, thanks to the combination of imaging analysis and behavioural tests.

La sindrome di Leigh (LS) è una rara patologia infantile caratterizzata da gravi difetti del neuro-sviluppo e da lesioni bilaterali e simmetriche localizzate nel tronco encefalico o nei gangli basali, spesso associate a cisti a livello del putamen/pallido, e da neurodegenerazione. Questa condizione si correla a una perdita progressiva delle abilità mentali e motorie e porta solitamente alla morte entro due o tre anni, spesso per insufficienza respiratoria. Mutazioni in più di 80 geni coinvolti nel metabolismo energetico mitocondriale possono essere causa della LS. Sfortunatamente, non esistono cure per la sindrome di Leigh ed è necessario portare avanti ulteriori studi. LS è emerso come il fenotipo clinico principale della deficienza da 3-idrossiisobutirril-CoA idrolasi (HIBCH), una rara patologia autosomica recessiva che comporta una disfunzione nel catabolismo della valina. Questo enzima, codificato dal gene HIBCH, ha un ruolo chiave nella via catabolica della valina, e produce deficienze secondarie nel sistema di fosforilazione ossidativa mitocondriale e nel complesso della piruvato deidrogenasi. La sua mancanza causa l’accumulo della 3- idrossiisobutirrilcarnitina e di altri metaboliti intermedi della degradazione della valina, incluso il metacrilil-CoA. Metacrilil-CoA è un composto altamente reattivo che può interferire con gli enzimi mitocondriali contenenti tioli. Questa tossicità mitocondriale potrebbe spiegare la comparsa dei sintomi tipici della LS negli individui portatori di mutazioni a livello di HIBCH. La deficienza da HIBCH manca di un sistema modello da usare per studiarne la patogenesi molecolare. Per questa ragione, i meccanismi alla base del disturbo neurologico associato a questa patologia non sono ancora stati determinati. La mancanza di un modello contribuisce all’attuale scarsità di opzioni terapeutiche, insieme alla bassa prevalenza e alla severità della patologia, che limitano le possibilità di effettuare trial clinici. Lo scopo di questo progetto è di utilizzare il moscerino della frutta Drosophila melanogaster per creare e validare un modello di questo difetto metabolico. La creazione del modello è basata sul completo silenziamento del gene HIBCH, attraverso un RNA interferente (RNAi) o attraverso il sistema CRISPR/Cas9, portando ad un’assenza totale dell’enzima corrispondente, prima nell’intero corpo dell’animale e in seguito solo a livello delle cellule gliali. Date le alterazioni metaboliche tipiche della deficienza da HIBCH, si sospetta infatti che le cellule gliali possano avere un ruolo nella patogenesi della malattia, e per questa ragione sono un punto cardine della ricerca. L’uso di questo modello ha permesso di ottenere informazioni riguardo ai processi neurodegenerativi tipici della patologia, grazie all’uso combinato di tecniche di imaging e test comportamentali.