Neurodevelopmental alterations in X-linked adrenoleukodystrophy

Abstract

La adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X (X-ALD, de sus siglas en inglés) es una enfermedad rara causada por mutaciones en el transportador peroxisomal ABCD1, presentando dos formas de manifestación clínica de neurodegeneración: demielinización aguda y letal en el cerebro de niños con la forma cerebral de X-ALD (CCALD), y degeneración crónica de los tractos de la médula espinal y neuropatía periférica en adultos con adrenomielopatía (AMN). Las alteraciones psiquiátricas son un signo temprano de CCALD y coexisten con la neurodegeneración periférica de la médula espinal en AMN, poniendo de manifiesto la patología cerebral. Teniendo en cuenta que la X-ALD es una condición genética quisimos determinar si las alteraciones psiquiátricas observadas pueden ser debidas, al menos en parte, a la formación aberrante de circuitos cerebrales durante el desarrollo y no a la neurodegeneración. Con este objetivo, usamos una aproximación de arriba hacia abajo, partiendo de datos de transcriptomas de pacientes, donde hemos buscado vías de neurodesarrollo desreguladas, hasta modelos murinos de X-ALD in vitro basados en el silenciamiento de los genes Abcd1 y Abcd2 para diseccionar la compartimentalización entre neuronas y astrocitos. Se presentan cuatro resultados principales. Primero, existen vías de neurodesarrollo desreguladas en CCALD, AMN y en los cultivos neuronales deficientes en ABCD, asociado con alteración en los procesos de neuritogénesis, espinogénesis, y axonogénesis. Segundo, un crecimiento aberrante de las espinas sinápticas es en parte debido a alteraciones en la vía canoníca de señalización Wnt puesto que la espinogénesis se recupera parcialmente mediante la activación de la vía de señalización Wnt tras la inhibición farmacológica de GSK-3. Tercero, la síntesis de colesterol y la localización del mismo se encuentran cambiadas en los astrocitos deficientes en ABCD. Cuarto, el silenciamiento de los transportadores ABCD causa alteraciones metabólicas en astrocitos incluyendo disminución de la oxidación de ácidos grasos, incremento del ratio NAD+/NADH, depleción de ATP, y disminución de la cantidad total de glutatión sugiriendo el deterioro conjunto de la defensa antioxidante y la bioenergética. Quinto, los astrocitos X-ALD presentan una señalización de calcio mediada por agonistas alterada y estrés del retículo endoplamático. Concluimos que i) la X-ALD presenta un componente de neurodesarrollo que puede explicar los síntomas psiquiátricos, y quizá contribuir a la progresión de la forma CCALD, y a la conversión de la AMN en una forma cerebral de la enfermedad, y ii) la deregulacion metabólica y de la excitabilidad en astrocitos apoya la disfunción global de los astrocitos que puede poner en peligro el papel computacional y homeostático de los astrocitos en los circuitos cerebrales.

X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD) is a rare disease caused by mutations in the peroxisomal ABCD1 transporter, with two major clinical manifestations of neurodegeneration: acute and lethal brain demyelination in the child cerebral X-ALD (CCALD), and chronic degeneration of spinal-cord tracts and peripheral neuropathy in the adult adrenomyeloneuropathy (AMN). Psychiatric alterations are an early sign of CCALD and coexist with spinal-cord and peripheral neurodegeneration in AMN, revealing concomitant brain pathology. Since X-ALD is a genetic condition, we sought to determine whether psychiatric alterations could be due, at least in part, to abnormal formation of brain circuits during brain development and not to neurodegeneration. To this end, we used a top-down approach, moving from patient transcriptome data, where we searched for dysregulated neurodevelopmental pathways, to in vitro murine models of X-ALD based on Abcd1/Abcd2 silencing to dissect out astrocyte versus neurons compartmentalization. There are four major findings. First, developmental pathways are dysregulated in CCALD, CAMN and in ABCD-null neuronal cultures, associated with altered neuritogenesis, spinogenesis, and axonogenesis. Second, aberrant spine growth is in part due to alterations in canonical Wnt signalling alteration since the spinogenesis is partially rescued by activation of WNT pathways by pharmacological GSK-3 inhibition. Third, cholesterol synthesis and localization is changed in ABCD-null astrocytes. Four, silencing of ABCD transporters causes metabolic alterations in astrocytes including fatty acid oxidation impairment, increase of the ratio NAD+/NADH, ATP depletion, decreases in total glutathione, suggesting joint impairment of antioxidant defense and bioenergetics. Fifth, X-ALD astrocytes present altered agonist-induced calcium signaling and ER stress. We conclude that i) X-ALD has a neurodevelopmental component that may account for psychiatric symptoms, and perhaps contribute to the progression of CCALD, and to the conversion of AMN into a cerebral condition, and ii) metabolic and excitability dysregulation in astrocytes support global astrocytic dysfunction that may jeopardize computational and homeostatic role of astrocytes in neural circuits.