Deregulation of cell intrinsic pathways of nucleic acid sensing is emerging as a potential driver of several autoinflammatory and autoimmune diseases. Among these, the Aicardi-Goutières Syndrome (AGS) is a rare monogenic encephalopathy in which aberrant activation of innate sensing is thought to drive disease. AGS is caused by mutations in any one of nine genes (TREX1, RNASEH2A/B/C, SAMHD1, ADAR1, IFIH1, LSM11 and RNU7-1) encoding for proteins involved in the metabolism and detection of nucleic acids. Nevertheless, the precise molecular mechanisms and cell types triggering disease remain elusive due to the lack of viable animal models recapitulating human neuropathology. In this context, we have generated human induced pluripotent stem cells (hiPSC) harboring TREX1 or RNASEH2B loss of function alleles which allow us to faithfully recapitulate the development of different central nervous system (CNS) cell types. This experimental system has allowed us to identify DNA damage as a major driver of pro-inflammatory activation in AGS astrocytes. This activation triggers complex signaling cascades impacting multiple CNS cell subsets analyzed at the single-cell level and ultimately leads to neurotoxicity. Several metabolic pathways were significantly altered in all AGS-patient derived cell populations. Among these, glycolytic, hypoxic and mTORC1 signaling pathways were upregulated across AGS genotypes. However, the molecular links between AGS gene defects and neuroinflammation still remain unclear. We are currently investigating the involvement of observed metabolic alterations in AGS neuropathology and addressing how AGS gene defects lead to increased DNA damage. To this end we are exploiting the iPSC-derived model of AGS and have generated cell lines knock-out for AGS-causing genes. Together, our results will fill important knowledge gaps regarding the potential contribution of metabolic dysregulations leading to the neurotoxicity in AGS and shed light on how AGS gene defects lead to DNA damage. Ultimately, determining precisely the molecular mechanisms leading to AGS pathogenesis will inform the development of targeted therapies to prevent the onset and progression of this deadly disease.

La disregolazione delle vie/pathway intracellulari di riconoscimento degli acidi nucleici sta emergendo come potenziale causa scatenante di diverse malattie autoinfiammatorie ed autoimmuni. Fra queste, la sindrome di Aicardi-Goutières (AGS) è una rara encefalopatia monogenica in cui si ritiene che un'attivazione anomala dell'immunità innata sia alla base dell'insorgenza della malattia. La sindrome di Aicardi-Goutières è causata da mutazioni in uno qualsiasi dei nove geni (TREX1, RNASEH2A/B/C, SAMHD1, ADAR1, IFIH1, LSM11 e RNU7-1) che codificano per proteine coinvolte nel metabolismo e nel riconoscimento degli acidi nucleici. Tuttavia i precisi meccanismi molecolari e i tipi di cellule che causano la malattia rimangono da chiarire a causa della mancanza di modelli animali che ricapitolino il fenotipo neuropatologico umano. In questo contesto, abbiamo generato cellule umane staminali pluripotenti indotte (iPSC) portatrici di alleli con perdita di funzione per TREX1 o RNASEH2B che ci consentono di ricapitolare fedelmente lo sviluppo di diversi tipi cellulari del sistema nervoso centrale (SNC). Questo modello sperimentale ci ha permesso di identificare il danno al DNA come uno dei principali fattori scatenanti dell'attivazione pro-infiammatoria negli astrociti AGS. Questa attivazione innesca complesse cascate di segnalazione che hanno un impatto su più popolazioni del SNC analizzate a livello di singola cellula, con l'effetto finale di causare neurotossicità. In tutte le popolazioni cellulari derivate da cellule di pazienti affetti da AGS abbiamo osservato una significativa alterazione di diversi pathways metabolici. Tra questi sono risultati sovraregolati in tutti i genotipi AGS il pathway glicolitico, ipossico e il pathway di mTOR. Tuttavia, il collegamento molecolare tra i difetti genetici della malattia e il fenotipo neuroinfiammatorio rimangono da chiarire. Attualmente stiamo studiando il coinvolgimento delle alterazioni metaboliche osservate nella neuropatologia dell'AGS e stiamo studiando come le mutazioni nei geni dell'AGS portino ad un aumento del danno al DNA. A questo scopo stiamo sfruttando i modelli di AGS derivati da iPSC e abbiamo generato linee cellulari knock-out per i geni che causano la malattia. Nell'insieme, i nostri studi permetteranno di chiarire meglio il potenziale contributo delle disregolazioni metaboliche nella neurotossicità osservata nella sindrome Aicardi-Goutières e faranno luce su come i difetti genetici dalla malattia portino ad un danno al DNA. In conclusione riteniamo che l'identificazione dei precisi meccanismi molecolari che guidano la patogenesi dell'AGS possa promuovere lo sviluppo di terapie mirate a prevenire l'insorgenza e la progressione di questa malattia mortale.

Aicardi-Goutières Syndrome

Sindrome di Aicardi-Goutières