The Cole Carpenter Syndrome (CCS) is a rare genetic disease displaying an autosomal dominant inheritance with a prevalence <1:1,000,000. It affects mainly the bone, which becomes brittle and fractures many times. Genetically, the CCS is caused by the heterozygous p.Y393C mutation in the P4HB gene encoding for the protein disulfide isomerase A1 (PDIA1). This enzyme is involved in the oxidative folding of nascent protein chains and acts as chaperone for the type 1 collagen. To date, there are no studies showing how the CCS-inducing mutation affects the skeletal and non-skeletal tissues and the disease has no cure. Based on this, we generated a mouse model carrying the aminoacidic substitution tyr393cys (CCS mouse) by constitutive knock-in strategy. Gross evaluation revealed no obvious changes in body length and weight of CCS mice. However, the bone phenotype, assessed by µCT in 1, 3, 6 and 12 months old male and female CCS mice showed marked osteopenia compared to the WT counterpart. In addition, the Indentation Distance and the Total Indentation Distance were dramatically increased in CSS femurs compared to WT, indicating a poor bone quality. Interestingly, the metabolic analysis revealed a significant reduction of postprandial blood glucose levels in 1 and 6 month-old CCS male mice compared to WT, along with an unchanged glucose and insulin tolerance. This finding could be linked to renal defects found in CSS mice consisting of an extensive tubular vacuolization, along with intracellular protein deposits, intraluminal protein cylinders and glomerular shrinkage, which can lead to an excessive glucose leakage in the urines. At the subcellular level, Western blot analysis conducted in primary CCS mouse osteoblasts showed a significant reduction of type 1 collagen production and secretion associated with an increased pro-collagen 1 expression compared to WT. In line with this, in vivo serum PINP1 levels, a marker of type I collagen turnover in the bone matrix, were lower in CCS mice as well. Of note, BiP1 expression was higher in CCS osteoblasts suggesting the presence of ER stress probably induced by the alteration of type 1 collagen trafficking. Overall, our data indicate the presence of a severe bone phenotype in CCS mice, consistent with the skeletal features of the human disease, and the pathogenic involvement of organs beyond the bone, such as kidneys. Moreover, we demonstrated the presence of a defective type 1 collagen trafficking leading to ER stress. The next step of the project will be the completion of the characterization of the CCS disease models in vitro and in vivo and the test of an experimental therapy for treating this neglected disorder.
Titolo: Studio del fenotipo del primo modello murino di sindrome di Cole Carpenter.
La sindrome di Cole Carpenter (CCS) è una malattia genetica rara che colpisce principalmente lo scheletro rendendolo fragile. Per tale motivo i pazienti affetti da questa malattia vanno incontro a fratture multiple durante il corso della loro vita. Inoltre, essi presentano un vasto spettro di alterazioni ossee che causano varie e vaste deformità scheletriche. Tutto ciò compromette in maniera importante la vita di queste persone. Ad oggi non ci sono cure per questa patologia, quindi lo sviluppo di una terapia per i pazienti affetti da CCS rappresenta una sfida molto importante. Per questo motivo, il nostro obbiettivo è di comprendere meglio i meccanismi che causano la CCS utilizzando un modello animale della malattia, sviluppato nel nostro laboratorio, al fine di sviluppare una terapia mirata. In particolare, i nostri risultati hanno mostrato come il modello animale da noi generato riproduca fedelmente la patologia umana e sia caratterizzato da una riduzione della quantità e della qualità del tessuto osseo. Questo sembra essere causato da una disfunzione nelle cellule deputate alla produzione di tessuto osseo, denominate osteoblasti. In particolare, in queste cellule abbiamo constatato una riduzione nella produzione e secrezione della principale componente della matrice ossea, il collagene di tipo 1. In linea con questo, il turnover (o ricambio) del collagene di tipo 1 in vivo era ridotto nel modello animale di CCS rispetto al controllo sano. Tale alterazione sembra indurre negli osteoblasti l'attivazione di meccanismi di stress, ed in particolare quelli a carico del reticolo endoplasmatico. Oltre a questo, il modello animale presentava ridotti livelli di glicemia post-prandiale probabilmente causati da alterazioni a livello renale che inducevano una maggiore perdita di glucosio nelle urine. In questa prima fase di progetto, ci siamo quindi concentrati sullo studio del modello animale della sindrome di Cole-Carpenter, identificando le alterazioni patologiche. I dati ottenuti verranno utilizzati nella seconda fase per la messa a punto di una terapia sperimentale mirata per il trattamento di questa sindrome. In caso di successo questo progetto permetterà di ottenere una maggiore conoscenza della malattia e una terapia sperimentale che potrà essere sviluppata per i pazienti. Infine, il nostro approccio potrebbe essere esteso anche ad altre malattie con cause e meccanismi simili alla CCS.
Sindrome di Cole Carpenter