The CLN5 disease is a late-infantile form of neuronal ceroid lipofuscinosis (NCLs), a group of life-threatening lysosomal storage conditions characterized by impaired intracellular degradation pathways and clinically presenting with myoclonic epilepsy, blindness, and progressive neurodegeneration. The pathophysiology of CLN5 is only partially understood (1) and this limits the access to therapies. Zebrafish (Danio rerio) is a suitable model to investigate a range of metabolic, neurological, and behavioral defects in clinical conditions associated with lysosomal storage, neurodegeneration, and epilepsy, such as the NCLs (2). It is also suited for large scale drug screening. In vivo models of CLN5 will offer a valuable tool to allow the mechanistic analysis of neuronal circuits in NCLs, and to establish more targeted and effective treatments. To improve our understanding of sick and healthy CLN5 protein during neurodevelopment, we gene-edited a new knock-out (KO) model in zebrafish. The cln5-/- KO mutants recapitulate most of the pathophysiological features of NCL, including impaired neuronal excitability and locomotor defects at different neurodevelopmental stages. Furthermore, accumulation of SCMAS (subunit c of mitochondrial ATP synthase), increased apoptosis in the brain, deficit of mitochondrial function, and dysregulated autophagic flux were observed in our mutants compared to wild-type controls. Preliminary analyses of the retinal function using electroretinogram (ERG) recordings showed a decreased retinal response in cln5-/- larvae compared to WT siblings when the intensity of light increases. We can assume that the impaired retinal response of the KO mutants may be caused by the engulfment of neuronal cells, which is caused by dysregulated autophagy and lysosomal function. Large-scale drug screening in KO larvae has just begun using commercially available FDA-approved libraries and newly synthetized, patent-pending molecules modulating autophagy pathway in CLN5 disease (3). Overall, our data offer a new tool to prepare future pharmacological trials to fight NCLs.

Approfondimento su CLN5: Approccio alle terapie nelle ceroidolipofuscinosi neuronali, utilizzando il pesce zebra come strumento. La malattia CLN5 è una forma tardo-infantile di ceroidolipofuscinosi neuronale (NCL), un gruppo di malattie caratterizzate da un'alterazione delle vie di degradazione intracellulare potenzialmente letali, e che si presentano clinicamente con epilessia mioclonica, cecità e neurodegenerazione progressiva. La fisiopatologia della CLN5 è solo parzialmente compresa (1) e questo limita l'accesso alle terapie. Il pesce zebra (Danio rerio) è un modello adatto per studiare una serie di difetti metabolici, neurologici e comportamentali in condizioni cliniche associate all'accumulo lisosomiale, alla neurodegenerazione e all'epilessia, come le NCL (2). È anche adatto per lo screening di farmaci su larga scala. I modelli in vivo di CLN5 offriranno uno strumento prezioso per consentire l'analisi meccanicistica dei circuiti neuronali nelle NCL e per stabilire trattamenti più mirati ed efficaci. Per migliorare la nostra comprensione della proteina CLN5 malata e sana durante il neurosviluppo, abbiamo modificato geneticamente un nuovo modello knock-out (KO) nello zebrafish. I mutanti cln5-/- KO ricapitolano la maggior parte delle caratteristiche fisiopatologiche della NCL, tra cui una compromessa eccitabilità neuronale e difetti locomotori in diverse fasi del neurosviluppo. Inoltre, nei nostri mutanti è stato osservato un accumulo di SCMAS (subunità c dell'ATP sintasi mitocondriale), un aumento dell'apoptosi nel cervello, un deficit della funzione mitocondriale e un flusso autofagico alterato rispetto ai controlli wild-type. Analisi preliminari della funzione retinica mediante registrazioni dell'elettroretinogramma (ERG) hanno mostrato una risposta retinica ridotta nelle larve cln5-/- rispetto ai controlli WT, quando l'intensità della luce aumenta. Possiamo ipotizzare che la ridotta risposta retinica dei mutanti KO possa essere causata dall'accumulo di sostanze di scarto nelle cellule neuronali, causata da un'alterazione dell'autofagia e della funzione lisosomiale. Lo screening di farmaci su larga scala nelle larve KO è appena iniziato, utilizzando librerie approvate dalla FDA disponibili in commercio e molecole di nuova sintesi, in attesa di brevetto, che modulano la via dell'autofagia nella malattia cln5 (3). Nel complesso, i nostri dati offrono un nuovo strumento per preparare futuri studi farmacologici per combattere le NCL.

1. Nita DA, Mole SE, Minassian BA. Neuronal ceroid lipofuscinoses. Epileptic Disord. 2016;18(S2):73-88. 2. Cooper JD, Russell C, Mitchison HM. Progress towards understanding disease mechanisms in small vertebrate models of neuronal ceroid lipofuscinosis. 2006 Oct;1762(10):873-89. 3. Runfola M, Perni M, Yang X, Marchese M, Bacci A, Mero S, Santorelli FM, Polini B, Chiellini G, Giuliani D, Vilella A, Bodria M, Daini E, Vandini E, Rudge S, Gul S, Wakelam MOJ, Vendruscolo M, Rapposelli S. Identification of a Thyroid Hormone Derivative as a Pleiotropic Agent for the Treatment of Alzheimer's Disease. 2021 Dec 19;14(12):1330.

Neuronal ceroid lipofuscinosis 5

Ceroidolipofuscinosi Neuronale 5