Regulation of lipid and redox metabolism in X-linked Adrenoleukodystrophy (X-ALD): therapeutic implications

Abstract

X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD) is a rare neurometabolic disease characterized by the loss of function of the peroxisomal transporter ABCD1, which leads to an accumulation of very long-chain fatty acids (VLCFA), inducing the production of mitochondrial reactive oxygen species. Clinical phenotypes in humans range from adrenal insufficiency to fatal inflammatory cerebral demyelination. Abcd1-null mice (Abcd1- mice) develop late-onset axonal degeneration in the spinal cord and locomotor disability resembling the most common phenotype in humans, adrenomyeloneuropathy (AMN). Oxidative stress and mitochondrial dysfunction are key common features in X- ALD patients as well as in Abcd1- mouse. In this thesis, we sought to explore novel therapeutic targets that would contribute to better understand the pathophysiology of the disease, based on the existing knowledge on these common hallmarks of X-ALD. First, we identified a lipidic imbalance in the X-ALD mouse models (Abcd1- and Abcd1-/Abcd2-/- mice), characterized by the presence of lipid droplet (LD) accumulation, due to overactivation of the mTOR/SREBP-1c axis and its target genes (Chapter I). Next, we studied the effect of pharmacological doses of biotin in redox homeostasis and lipid metabolism in the X- ALD mouse models and fibroblasts derived from healthy subjects and X-ALD patients. In a second study, we investigated the role of E2F1, a transcription factor essential for cell cycle and metabolic homeostasis, in X-ALD pathophysiology. To address this objective, we studied E2F1 expression in the X-ALD mouse models. We found out an increase of E2F1, both at mRNA and protein level, in the spinal cord from Abcd1- and Abcd1-/Abcd2-/- mice. Finally, we explored the therapeutic potential of targeting E2F1 in X-ALD mice. We followed a genetic approach by crossing E2F1-deficient mice with the X-ALD mouse models (Chapter II). Both therapeutic strategies, the pharmacological intervention with high-dose biotin and the genetic inactivation of E2F1, led to an amelioration of i) mitochondrial dysfunction, ii) bioenergetic failure, iii) oxidative damage iv) dysregulated inflammatory profile, and most importantly, v) halted axonal degeneration and behavioural abnormalities in X-ALD mice (Chapters I and II). Collectively, these findings reveal an impairment of the mTOR/SREBP-1c axis that controls lipid homeostasis in X-ALD, as well as point to E2F1 as a candidate for the impaired mitochondrial activity and antioxidant response in X-ALD. Finally, the results of this doctoral thesis indicate that therapies based on correcting lipid accumulation and redox imbalance may be valuable strategies to treat X-ALD and other neurodegenerative disorders which share general dysregulation of lipid metabolism, impaired redox homeostasis, mitochondrial dysfunction, and neuroinflammation among their hallmarks.

La adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X (X-ALD) es una enfermedad neurometabólica rara caracterizada por la pérdida de función del transportador peroxisomal ABCD1. Como consecuencia se acumulan ácidos grasos de cadena muy larga, que inducen la producción de especies reactivas de oxígeno en la mitocondria. El fenotipo clínico en humanos es variable, desde la insuficiencia suprarrenal hasta la desmielinización inflamatoria cerebral que suele ser fatal. Los ratones deficientes para el gen Abcd1 (ratones Abcd1-) desarrollan una degeneración axonal de aparición tardía en la médula espinal e incapacidad locomotora, un fenotipo que se asemeja al más común en humanos, la adrenomieloneuropatía (AMN). El estrés oxidativo y la disfunción mitocondrial son características claves en los pacientes con X-ALD, así como en el modelo de ratón.

En esta tesis, buscamos explorar nuevas dianas terapéuticas que contribuyan a una mejor comprensión de la fisiopatología de la enfermedad, basándonos en el conocimiento existente sobre estas alteraciones en X-ALD. En primer lugar, identificamos un desequilibrio lipídico en los modelos de ratón X-ALD (Abcd1- y Abcd1-/Abcd2-/-), caracterizado por la acumulación de gotas lipídicas (o lipid droplets, LD), debido a la sobreactivación del eje mTOR/SREBP-1c y sus genes diana (Capítulo I). Después, estudiamos el efecto que tiene la dosis farmacológica de biotina en la homeostasis redox y el metabolismo de los lípidos en los modelos de ratón X-ALD y en fibroblastos derivados de individuos sanos y pacientes con X-ALD. En un segundo estudio, investigamos el papel de E2F1, un corregulador transcripcional esencial para el ciclo celular y la homeostasis metabólica, en la fisiopatología de X-ALD. Para abordar este objetivo, estudiamos la expresión de E2F1 en el modelo de ratón Abcd1-. Descubrimos un aumento de E2F1, a nivel de mRNA y proteína, en la médula espinal de ratones Abcd1- y Abcd1-/Abcd2-/-. Finalmente, exploramos el potencial terapéutico de la administración de dosis farmacológicas de biotina (Capítulo I)/silenciar E2F1 (Capítulo II) en ratones X-ALD. Para el último abordaje, seguimos una aproximación genética, cruzando ratones deficientes en E2F1 con modelos de ratón X-ALD (Capítulo II). En ambos casos, la intervención terapéutica conllevó a una mejora de i) la disfunción mitocondrial, ii) el fallo bioenergético, iii) el daño oxidativo iv) la perturbación del perfil inflamatorio, y, lo que es más importante, detuvo la degeneración axonal y previno las alteraciones del comportamiento en ratones X-ALD (Capítulos I y II). En conjunto, estos hallazgos revelan un deterioro del eje mTOR/SREBP-1c que controla la homeostasis de los lípidos, y apuntan a E2F1 como candidato plausible para la regulación del metabolismo oxidativo, así como de la respuesta antioxidante en X- ALD. Finalmente, los resultados derivados de esta tesis doctoral indican que las terapias basadas en corregir la acumulación de lípidos y el desequilibrio redox pueden ser estrategias valiosas para tratar la X-ALD y otros trastornos neurodegenerativos que compartan la desregulación general del metabolismo de los lípidos, la homeostasis redox alterada, la disfunción mitocondrial y la neuroinflamación entre sus señas de identidad.