AGC1 deficiency is a rare encephalopathy (DEE39,OMIM# 612949) caused by mutations in the nuclear SLC25A12 gene, encoding the mitochondrial aspartate/glutamate carrier 1 (AGC1 ). It manifests in infants with neuromuscular delay, epilepsy, and hypomyelination associated with reduction of brain N-acetyl-aspartate, precursor of myelin lipids in CNS. AGC1 impairment is associated with epigenetic alterations in brain precursor cells with consequent transcriptional dysregulation leading to proliferation and differentiation defects in both Neural and Oligodendrocytes Precursor Cells (NPCs and OPCs), although with different mechanisms. In in vitro and in vivo murine models of the disease, we have investigated transcriptional and epigenetic targets potentially influencing myelination, as well as the altered biochemical pathways, through multi-omic approaches. As a further approach, we used IPSC-derived NPCs from two patients carrying different missense mutations in SLC25A12 in which we demonstrated proliferation defects with higher cell death, and a deficit in mitochondrial pyruvate oxidation accompanied by profound transcriptional and metabolic dysregulations compared to NPCs from healthy individuals. Given the effect of ketogenic diet that improves myelination and clinical features in AGC1 deficiency, we evaluated in patient-derived NPCs the impact of ketone bodies with the result that these compounds significantly enhanced mitochondrial respiration and proliferation. Our multidisciplinary approach allowed us to identify the altered mechanisms leading to dysregulation of myelin synthesis in AGC1 deficiency, thus indicating the potential targets to counteract AGC1 deficiency hypomyelination and eventually develop more appropriate and personalized therapies for patients. Since AGC1 deficiency shares many clinical features with other rare neurological diseases, including hypomyelination, these targets could be also tested in other similar pathologies.
APPROCCI MULTIDISCIPLINARI PER L'IDENTIFICAZIONE DI NUOVI POTENZIALI BERSAGLI TERAPEUTICI PER CONTRASTARE LA DISREGOLAZIONE DEI PROGENITORI DELLE CELLULE CEREBRALI NELL'IPOMIELINAZIONE DA DEFICIENZA DI AGC1
II deficit di AGC1 è una rara encefalopatia (DEE39,OMIM# 612949) causata da mutazioni nel gene nucleare SLC25A12, che codifica per ii trasportatore mitocondriale dell'aspartato/glutammato 1 (AGC1). La malattia si manifesta nei neonati con ritardo neuromuscolare, epilessia e ipomielinizzazione associata alla riduzione dell'N-acetil-aspartato (NAA) nel cervello. Tale riduzione può determinare l'ipomielinizzazione, essendo NAA precursore dei lipidi della mielina nel sistema nervoso, ed essere coinvolta con l'alterazione del controllo epigenetico dell'espressione genica, poichè da esso possono derivare i gruppi acetile che servono per l'acetilazione degli istoni. Come osservato in modelli murini in vitro e in vivo della malattia, difetti di AGC1 causano alterazioni in precursori di cellule cerebrali che presentano difetti di proliferazione e differenziamento sia in neuroni (NPC) che in oligodendrociti (OPC), sebbene attraverso differenti meccanismi. Negli stessi modelli sperimentali, abbiamo inoltre evidenziato alterazioni della regolazione epigenetica della trascrizione genica e di pathway biochimici che potenzialmente influenzano la proliferazione cellulare e la mielinizzazione. Come ulteriore approccio sperimentale, abbiamo differenziato NPC da cellule staminali pluripotenti indotte di due pazienti recanti distinte mutazioni
missenso in SLC25A12: gli studi su queste cellule hanno rivelato difetti di proliferazione associati a maggiore morte cellulare, e un deficit nell'ossidazione del piruvato nei mitocondri accompagnato da profonde alterazioni trascrizionali alla base di un rewiring metabolico. Dati gli effetti positivi che la dieta chetogenica provoca nella malattia con aumentata mielinizzazione e miglioramento dei sintomi clinici nei pazienti, abbiamo valutato l'impatto nelle NPC di paziente dei corpi chetonici e abbiamo dimostrato che tali composti migliorano significativamente l'attività mitocondriale e la proliferazione cellulare. Il nostro approccio multidisciplinare ci ha permesso di identificare meccanismi alterati che portano a difetti nella produzione di mielina nella AGC1 deficiency, permettendo di identificare potenziali bersagli per contrastare l'ipomielinizzazione e sviluppare terapie più appropriate e personalizzate per i pazienti. Poiché la AGC1 deficiency condivide diverse caratteristiche cliniche con altre malattie neurologiche rare, anche a carattere ipomielinizzante, questi potenziali bersagli terapeutici possono essere considerati anche per lo studio e il trattamento di altre patologie simili.