Avenços en la teràpia gènica per al MNGIE amb vectors adenoassociats: validació en un model millorat de la malaltia i optimització de seqüència del gen terapèutic

Abstract

El MNGIE és una malaltia mitocondrial d’herència autosòmica recessiva causada per mutacions en el gen TYMP, que codifica l’enzim timidina fosforilasa (TP). La TP catalitza la degradació de timidina (dThd) i desoxiuridina (dUrd), i la seva absència en pacients causa l’acumulació sistèmica d’aquests metabòlits, tòxica per la funció mitocondrial. A dia d’avui les úniques teràpies efectives són el transplantament de cèl·lules mare hematopoètiques i el transplantament de fetge. No obstant, els transplantaments estan limitats per la necessitat d’un donant compatible i tenen una taxa de mortalitat i morbiditat associada especialment elevada en pacients de MNGIE. Per a superar aquests inconvenients, fa temps vam proposar la teràpia gènica mitjançant vectors adenoassociats (rAAV) dirigits al fetge com a alternativa terapèutica, i vam demostrar la seva viabilitat en el model animal de MNGIE, el ratolí doble knockout (dKO) Tymp-/-Upp1-/-. Però aquest model només presenta fenotip bioquímic, de manera que només vam poder demostrar la correcció d’aquest fenotip. Al 2014 es va descriure que augmentant el desequilibri metabòlic mitjançant l’administració oral de dThd i dUrd al model dKO durant tota la seva vida provocava l’aparició d’alguns trets que reproduïen la simptomatologia clínica dels pacients. En aquesta tesi hem estudiat l’ús de la teràpia gènica en aquest model millorat, mitjançant el tractament amb tres rAAVs que expressaven la seqüència codificant de TYMP sota el control de 3 promotors hepàtics a diferents dosis. El tractament amb rAAV va incrementar l’activitat TP en fetge i va disminuir la concentració sistèmica de nucleòsids dels ratolins dKO, que sense tractament eren 30 vegades superiors als valors normals. A nivell fenotípic, en la majoria dels ratolins, el tractament també va prevenir l’increment del volum dels ventricles cerebrals i el deteriorament motor observats en els ratolins no tractats. Quan vam comparar els tres vectors utilitzats, el rAAV amb el promotor de l’alfa-1-antitripsina (AAT) va ser el més eficaç. Aquests resultats confirmen que la teràpia gènica mediada per rAAV dirigida al fetge restaura l’homeòstasi bioquímica i demostren la prevenció de l’aparició del fenotip clínic del model animal millorat de MNGIE. Un altre aspecte important per a la translació de la teràpia a la pràctica clínica és optimitzar el vector per tal de reduir-ne la dosi efectiva. En aquest sentit, hem testat dues aproximacions: la modificació de la seqüència codificant (ADNc) del gen segons la freqüència d’ús de codó per a incrementar la seva expressió, i l’eliminació dels dinucleòtids CpG de l’ADNc del gen per a reduir la immunogenicitat del vector. Vam dissenyar quatre seqüències optimitzades de l’ADNc de TYMP amb 4 algoritmes diferents. Vam generar vectors lentivirals per transduir 4 línies cel·lulars humanes i determinar l’eficiència d’expressió de cada seqüència comparada amb la seqüència salvatge, tenint en compte el grau d’activitat TP, el número de còpies del vector i els nivells relatius d’ARNm. De tots els experiments, només una seqüència optimitzada va millorar el grau d’expressió de TYMP respecte el de la seqüència salvatge en la línia cel·lular hepàtica Huh7. Pel que fa a la reducció de la immunogenicitat del vector, vam eliminar els dinucleòtids CpG de les seqüències dissenyades i vam analitzar el grau d’expressió de TYMP. Només la seqüència salvatge sense dinucleòtids CpG es va acostar a l’expressió de la seqüència natural. Tot i que s’hi observa una reducció d’expressió aproximada del 20%, es compensa per l’avantatge que aporta en termes de reducció de la resposta immunològica de cara a l’ús clínic del vector. En conclusió recomanem aquesta versió sota la regulació del promotor AAT per a ús eventual en la pràctica clínica.

El MNGIE (Mitochondrial NeuroGastroIntestinal Encephalomyopathy) es una enfermedad mitocondrial de herencia autosómica recesiva causada por mutaciones en el gen TYMP, que codifica la enzima timidina fosforilasa (TP). La TP cataliza la degradación de timidina (dThd) y desoxiuridina (dUrd), y su ausencia en pacientes causa la acumulación sistémica de estos metabolitos, tóxica para la función mitocondrial. Hoy en día, las únicas terapias efectives son el trasplante de células madre hematopoyéticas y el trasplante de hígado. No obstante, los trasplantes están limitados por la necesidad de un donante compatible y tienen una tasa de mortalidad y morbididad asociada especialmente elevada en pacientes de MNGIE. Para superar estos inconvenientes, hace tiempo propusimos la terapia génica mediante vectores adenoasociados (rAAV) dirigidos al hígado como alternativa terapéutica, y demostramos su viabilidad en el modelo animal de MNGIE, el ratón doble knockout (dKO) Tymp-/-Upp1-/-. Pero este modelo solo presenta fenotipo bioquímico, de forma que solo pudimos demostrar la corrección de este fenotipo. En 2014 se describió que aumentando el desequilibrio metabólico mediante la administración oral de dThd y dUrd al modelo dKO durante toda su vida provocaba la aparición de algunos rasgos que reproducían la sintomatología clínica de los pacientes. En esta tesis hemos estudiado el uso de la terapia génica en este modelo mejorado, mediante el tratamiento con tres rAAVs que expresan la secuencia codificante de TYMP bajo el control de tres promotores hepáticos a distintas dosis. El tratamiento con rAAV incrementó la actividad TP hepática y disminuyo la concentración sistémica de nucleósidos de los ratones dKO, (sin tratamiento eren 30 veces superiores a los valores normales). A nivel fenotípico, en la mayoría de los ratones, el tratamiento también previno el aumento del volumen de los ventrículos cerebrales y el deterioro motor observados en los ratones no tratados. Cuando comparamos los tres vectores utilitzados, el rAAV con el promotor de la alfa-1-antitripsina (AAT) fue el más eficaz. Estos resultados confirman que la terapia génica por rAAV dirigida al hígado restaura la homeóstasis bioquímica y demuestran la prevención de la aparición del fenotipo clínico del modelo animal mejorado de MNGIE. Otro aspecto importante para la translación de la terapia a la práctica clínica es optimizar el vector para reducir la dosis efectiva. En este sentido, hemos testado dos aproximaciones: la modificación de la secuencia codificante (ADNc) del gen según la frecuencia de uso de codón para aumentar su expresión, y la eliminación de los dinucleótidos CpG del ADNc del gen para reducir la immunogenicidad del vector. Diseñamos cuatro secuencies optimizadas del ADNc de TYMP utilitzando 4 algoritmos diferentes. Generamos vectores lentivirales para transducir 4 líneas celulares humanas y determinar la eficiencia de expresión de cada secuencia comparada con la secuencia natural, teniendo en cuenta el grado de actividad TP, el número de copias del vector y los niveles relativos de ARNm. De todos los experimentos, solo una secuencia optimizada mejoró el grado de expresión de TYMP comparado con el de la secuencia natural, en la línea celular hepática Huh7. En cuanto a la reducción de la immunogenicidad del vector, eliminamos los dinucleótidos CpG de las secuencias diseñadas y analizamos el nivel de expresión de TYMP. Solo la secuencia natural sin dinucleótidos CpG se acercó a la expresión de la secuencia natural. Aunque se observa una reducción de expresión aproximada del 20%, se compensa con la ventaja que aporta en términos de reducción de la respuesta inmunológica de cara al uso clínico del vector. En conclusión, entre las opciones testadas, recomendamos el rAAV que contiene el ADNc natural de TYMP sin dinucleótidos CpG bajo el control del promotor AAT para un uso eventual en la práctica clínica.

MNGIE (Mitochondrial NeuroGastroIntestinal Encephalomyopathy) is an autosomal recessive disease caused by mutations in TYMP, which encodes for the enzyme thymidine phosphorylase (TP). TP catalyses the first step of the catabolism of the nucleosides thymidine (dThd) and deoxyuridine (dUrd). The lack of TP activity causes systemic nucleoside accumulation which is toxic for mitochondrial function. Nowadays, the only available therapies for MNGIE are allogeneic hematopoetic stem cell transplantation or liver transplantation. However, these treatments are limited by the need of a compatible donor and are associated to high mortality and morbidity rates in MNGIE patients. To overcome these limitations, our laboratory proposed adenoassociated virus (rAAV) mediated gene therapy targeted to the liver for MNGIE and demonstrated its feasibility in the Tymp-/- Upp1-/- (dKO) mouse model of the disease. However, dKO mice show biochemical phenotype only, therefore we could only demonstrate the efficacy of our approach at the biochemical level. In 2014 it was reported that increasing the biochemical imbalances of the dKO model by chronic oral administration of dThd and dUrd to dKO mice over their entire life induced some features that recapitulate part of the clinical manifestations observed in patients. In this thesis we have studied the effect of gene therapy in this enhanced model, by treating the animals with three rAAVs expressing the human TYMP coding sequence under the control of three different liver-specific promoters. rAAV treatment increased liver TP activity and limited the systemic nucleoside concentration present in the dKO enhanced model, which was 30-fold higher as compared with non-exposed wild-type mice. AAV-treatment also prevented, in most animals, the enlarged brain ventricles and the motor impairment observed in the exposed dKO mice. When we compared the three promoters tested, the rAAV containing the AAT promoter showed the best efficacy. These results confirm that AAV-mediated gene therapy restores the biochemical homeostasis and demonstrate that this treatment prevents the clinical phenotype developed by the enhanced murine model of MNGIE. Another key point for the clinical translation of gene therapy is the optimization of the therapeutic gene expression to reduce the vector dose. For this reason, we tested two approaches: modification of the coding sequence of TYMP based on the codon use frequency to increase the expression of the gene, and CpG dinucleotide removal from the coding sequence to reduce immunogenicity of the vector. We designed four different codon-optimized sequences of the TYMP coding sequence, using four different algorithms. We cloned each optimized sequence in a lentiviral vector and transduced 4 different human cell lines. We analysed the degree of expression achieved with each sequence, as compared with the non-optimized wild-type TYMP sequence through evaluation of TP activity, vector copy number, and mRNA levels in the cell lines. Among all the sequences studied, only one optimized sequence resulted in higher TP activity when expressed per vector copy number in the hepatic cell line Huh7. To reduce the immunogenicity of the vector we removed the CpG dinucleotides from the wild-type coding TYMP sequence and two codon-optimized TYMP sequences. The wild-type sequence without CpG was the only one showing expression levels similar to those of the wild-type sequence. Even though the CpG free sequence shows a reduced expression of about 20% of that observed in the wild-type sequence, it is compensated by the advantages associated to the absence of CpG sites in terms of reduction of the immunological response when considering the vector for clinical use. In conclusion, among the different options tested, we recommend the rAAV vector containing the wild-type coding TYMP CpG-free sequence under the control of the AAT promoter for its use in the clinical practice.