Huntington's Disease (HD) is a dominant neurodegenerative disorder caused by an expansion of a CAG repeat tract in exon 1 of the Huntingtin gene (HTT;1). Since HD is a monogenic disease, the most promising therapeutic approaches rely on reducing mutant HTT (muHTT) through antisense oligonucleotides (ASO)(2). Unfortunately, the recent failure of ASO candidates in clinical trials highlighted potential problems and new challenges for HTT-lowering strategies. Despite enormous efforts from scientists, clinicians and pharmaceutical companies, we continue to be in the urgent need for groundbreaking therapies.
HD is characterized by the early dysfunction of the cortico-striatal circuitry (3). MuHTT-induced phenotypes appear both in cortical and striatal neurons, but in vivo and in vitro studies have shown that selective muHTT expression in cortical neurons is sufficient to alter the cortico-striatal circuitry functionality and to cause striatal pathology (4;5). Hence, the cortex represents a very attractive site of action for developing new therapeutic approaches for HD.
A disintegrin and metalloproteinase domain-containing protein 10 (ADAM10) is one of the most widely expressed proteases in the human brain (6). By cleaving trans-synaptic proteins ADAM10 plays fundamental roles in the homeostasis of glutamartergic networks. We found that wild-type HTT regulates glutamatergic synapse remodeling through binding to ADAM10 and inhibition of its proteolytic activity on N-Cadherin (7). On the contrary, muHTT binds less to the active enzyme, which accumulates at the post-synapse, causing excessive N-Cadherin proteolysis, synapse loss, and cognitive decline in HD mice (7). More recently, by studying the ADAM10 interactome in the wild-type and HD brain, we revealed that ADAM10 shares presynaptic protein partners with HTT, including molecules implicated in vesicle transport (KIF5C, DynC1H1) and release (Bassoon, Piccolo, Erc2, Liprin-α3) (8). We also found a decrease in the binding of active ADAM10 to Piccolo and reduced density of synaptic vesicles ready for release in the HD cortex. The observed presynaptic defects were prevented by genetic strategies that normalized active ADAM10 in the HD brain (8).
These findings led us to hypothesize that defects of the cortico-striatal circuitry and striatal pathology in HD could depend on muHTT toxic effect on presynaptic ADAM10 in the cortical afferents.
To test this hypothesis, we reproduced the HD cortico-striatal circuitry in vitro by using microfluidic chamber co-cultures. The ADAM10 inhibitor GI254023X was administered to cortical and striatal neurons independently within the reconstituted network and cortico-striatal connectivity was assessed. We also investigated the binding between ADAM10 and proteins implicated in vesicle trafficking and release in wild-type and HD cortical neurons.
RUOLO DELL' ENZIMA ADAM10 NELLA MALATTIA DI HUNTINGTON
La Corea di Huntington è una malattia del cervello di origine ereditaria. Il gene alla base della patologia è noto ed è chiamato gene Huntington. Al suo interno è stata identificata una sequenza di triplette CAG che si ripetono l'una dopo l'altra. La mutazione che causa la malattia consiste nell'espansione del numero di triplette oltre la soglia limite di 36. I sintomi sono movimenti involontari, deterioramento cognitivo ed alterazione del comportamento.
La malattia di Huntington colpisce prevalentemente i neuroni della corteccia e dello striato. Queste due aree cerebrali sono collegate tramite la via cortico-striatale in cui i neuroni della corteccia inviano proiezioni per connettersi ai neuroni dello striato. Il gene mutato altera la funzionalità della via cortico-striatale fin da stadi molto precoci. Identificare farmaci che agiscono su questo circuito per ripristinarne la corretta attività è uno dei principali obiettivi della ricerca. Diversi studi hanno recentemente dimostrato che basta esprimere il gene mutato nei neuroni della corteccia per alterare la funzionalità dell'intero circuito cortico-striatale e causare perdita di cellule nervose nello striato. Curare la corteccia, pertanto, potrebbe essere un nuovo modo per contrastare i difetti di circuito e il danno striatale.
Questo progetto si focalizza su ADAM10, un enzima critico per la funzionalità dei circuiti cerebrali. I nostri dati indicano che il gene Huntington, nella versione sana, regola l'attività di ADAM10 nel cervello. Quando, invece, muta i livelli di enzima attivo aumentano e ciò contribuisce a danneggiare le connessioni fra neuroni. La nostra ipotesi è che l'aumentata attività dell'enzima ADAM10 in corteccia possa da sola essere responsabile dei difetti di circuito e della neurodegenerazione striatale.
Durante il primo anno del progetto abbiamo lavorato per riprodurre e caratterizzare in vitro il circuito cortico-striatale Huntington. Abbiamo, inoltre, messo a punto un protocollo sperimentale per inibire ADAM10 solo nei neuroni corticali e valutato se questo trattamento fosse in grado di prevenire i danni all'intero circuito e la degenerazione dei neuroni striatali.
1. HDCRG (1993). Cell 72, 971-983.
2. Kingwell, K. (2021). Nat Rev Drug Discov 20, 412-413.
3. Cepeda, C. et al. (2007). Prog Neurobiol 81, 253-271.
4. Wang, N. et al. (2014). Nat Med 20, 536-541.
5. Virlogeux, A. et al. (2018). Cell Rep 22, 110-122.
6. Saftig, P. and Lichtenthaler, S.F. (2015). Prog Neurobiol 135, 1-20.
7. Vezzoli, E. et al. (2019). J Clin Invest 129, 2390-2403.
8. Cozzolino, F. et al. (2021). Hum Mol Genet 30, 1175-1187.