Allan Herndon Dudley Syndrome (AHDS) is a rare X-linked syndrome caused by mutations in the SLC16A2 gene encoding for monocarboxylate transporter 8 (MCT8), a specific transporter for thyroid hormone T3, preventing its entrance the central nervous system (CNS) and severely affecting brain development. Beside the critical role in the development of the nervous system, T3 is a major regulator of CNS metabolism and mitochondrial activity. This Telethon project aims to i) study the cellular and molecular consequences of hypothyroidism on neuronal differentiation; ii) target mitochondrial metabolism by pharmacological approaches to restore neuronal maturation in AHDS. We established a murine cerebral organoid model of AHDS (AHDS-like organoids) by removing T3 from the culture media. T3 deprivation resulted in a sustained proliferative and stemness profile of AHDS-like organoids over time, along with a delayed maturation of the neuronal population and a different composition of the overall cellular population. Indeed, astrocytes emerged as the most representative population in AHDS-like organoids, also influencing their functionality - evaluated by spontaneous calcium activity imaging. AHDS-like organoids strongly upregulated the expression of genes involved in DNA replication, cell cycle and G2/M transition while downregulated genes involved in ions homeostasis and neuronal action potential activities. Albeit we did not unravel differences in the cellular metabolism of AHDS models compared to controls, they downregulated the processes of mtDNA replication, mitochondrial fission and fusion, decreased the expression of OXPHOS complexes and impaired the fatty acid metabolism. We selected Nicotinamide Riboside (NR), a NAD+ precursor activating the Sirtuin1/PGC-1α pathway of mitochondrial biogenesis, as therapeutic strategy. NR treatment increased the AHDS-like organoids mtDNA content, reduced their stemness and content of glial cells. This data indicated that the lack of T3 significantly halted the neuronal commitment of brain organoids and that the neuronal differentiation could be favoured by enhancing mitochondrial metabolism.

Il metabolismo mitocondriale come target per promuovere il completo sviluppo neuronale in AHDS: sviluppo di nuovi approcci terapeutici in modelli cerebrali murini tridimensionali La sindrome di Allan-Herndon-Dudley (AHDS) è un raro disturbo dello sviluppo del cervello che causa gravi disabilità intellettive e problemi di movimento. L'AHDS è causata da mutazioni del gene SLC16A2, necessario per la produzione di una proteina, detta MCT8, che ha un ruolo chiave nello sviluppo del sistema nervoso. MCT8 trasporta un ormone, chiamato triiodotironina o T3, all'interno dei neuroni. Il T3 serve per il normale sviluppo del cervello e, agendo sui mitocondri, le centrali elettriche delle cellule, regola le reazioni chimiche che producono energia (metabolismo). Questo progetto ha lo scopo di i) studiare le conseguenze cellulari e molecolari dell'assenza di T3 sul differenziamento neuronale; ii) agire sul metabolismo mitocondriale mediante approcci farmacologici per ripristinare la maturazione neuronale nell'AHDS. Abbiamo creato in laboratorio un mini-cervello (chiamato organoide) come modello per l'AHDS, cresciuto in assenza di T3. In mancanza di T3, l'organoide mostra un ritardo nella maturazione neuronale e nel suo sviluppo, caratterizzato dalla presenza di un elevato numero di cellule proliferanti ed immature e, complessivamente, una diversa composizione cellulare rispetto ad organoidi cresciuti in presenza di T3. Infatti, gli organoidi AHDS mostrano pochi neuroni, con un basso grado di maturazione e funzionalità, e molti astrociti, l'altra componente cellulare caratteristica del sistema nervoso. Gli organoidi AHDS presentano una maggiore espressione dei geni coinvolti nella replicazione del DNA e nel ciclo cellulare, mentre i geni coinvolti nello sviluppo neuronale sono poco espressi. Inoltre, abbiamo notato una diminuzione nei livelli di espressione di geni coinvolti nei processi metabolici. Abbiamo così selezionato una molecola, Nicotinamide Riboside (NR), che ha un ruolo nel sostenere il metabolismo mitocondriale. Il trattamento con NR ha aumentato il contenuto di DNA mitocondriale degli organoidi, ha ridotto la loro immaturità ed il contenuto di astrociti. Questi dati indicano che la mancanza di T3 determina un difetto dello sviluppo neuronale, il quale potrebbe essere favorito agendo sul metabolismo mitocondriale.

Allan-Herndon-Dudley syndrome (AHDS)

Sindrome di Allan Herndon Dudley