L’Atàxia de Friedreich: Assaig de fàrmacs en cardiomiòcits deficients de frataxina i caracterització del nou model murí FXNI151F

Abstract

L’Atàxia de Friedreich (FA) és una malaltia cardioneurodegenerativa rara causada per mutacions en el gen FXN, que resulten en una disminució de la frataxina, una proteïna mitocondrial. A dia d’avui, es tracta d’una malaltia que no té cura. La majoria de persones que pateixen FA són homozigots per una expansió de triplets GAA en el primer intró del gen FXN. No obstant això, el 4% dels pacients són heterozigots compostos per l’expansió del triplet en un al·lel i per una mutació puntual a l’altre al·lel. El dèficit de frataxina està associat a una disfunció mitocondrial, alteracions en el metabolisme dels àcids grassos, un desequilibri de l’homeòstasi del ferro, un dèficit de centres ferro-sofre i estrès oxidatiu. En aquesta tesi s’aborden dos objectius principals. Per una banda, la cerca de fàrmacs que permetin revertir els defectes causats per la falta de frataxina. Per aquest objectiu, s’utilitza un model de cardiomiòcits deficients de frataxina i s’estudia la capacitat de diversos compostos de revertir els fenotips principals. Es demostra com la suplementació amb calcitriol, dicloroacetat, Tiron, leriglitazona o leriglitazona combinada amb ciclosporina A, resulta en una disminució en l’acumulació de gotes lipídiques en aquestes cèl·lules. El segon objectiu consisteix en la generació d’un nou model de la malaltia que presenti deficiència de frataxina a nivell sistèmic. Per abordar-lo, s’han generat ratolins homozigots per la mutació puntual I151F (denominats FXNI151F) i s’ha observat que són viables i que presenten una disminució dràstica dels nivells de frataxina en tots els teixits analitzats. Els ratolins FXNI151F presenten dèficits neurològics progressius similars als observats als pacients. Els estudis bioquímics realitzats en cervell, cerebel i cor demostren una disminució del contingut dels complexos I i II del sistema OXPHOS, una disminució de l’activitat aconitasa, alteracions en les defenses antioxidants, i una desregulació de l’homeòstasi cel·lular del ferro. Les alteracions bioquímiques observades són prèvies a l’aparició dels primers símptomes neurològics, i en el cor presenten característiques diferents de les observades en el sistema nerviós, suggerint que les conseqüències de la falta de frataxina són específiques de cada teixit. Donat que es demostra que la conseqüència principal de la mutació I151F in vivo és una disminució dels nivells de frataxina, es conclou que el model FXNI151F és una eina excel·lent per l’estudi del dèficit de frataxina in vivo i per l’assaig de noves estratègies terapèutiques.

La Ataxia de Friedreich (FA) es una enfermedad cardioneurodegenerativa rara causada por mutaciones en el gen FXN, que resultan en una disminución de la frataxina, una proteína mitocondrial. Hoy en día es una enfermedad que no tiene cura. La mayoría de las personas que sufren FA son homocigotos por una expansión de tripletes GAA en el primer intrón del gen FXN. No obstante, el 4% de los pacientes son heterocigotos compuestos por la expansión del triplete en un alelo y por una mutación puntual en el otro alelo. El déficit de frataxina está asociado a una disfunción mitocondrial, alteraciones en el metabolismo de los ácidos grasos, un desequilibrio de la homeostasis del hierro, un déficit de centros hierro-azufre y estrés oxidativo. En esta tesis se abordan dos objetivos principales. Por un lado, la búsqueda de fármacos que permitan revertir los defectos causados por la falta de frataxina. Para ese objetivo, se usa un modelo de cardiomiocitos deficientes de frataxina y se demuestra que la suplementación con calcitriol, dicloroacetato, Tiron, leriglitazona o leriglitazona combinada con ciclosporina A, resulta en una disminución de la acumulación de gotas lipídicas en estas células. El segundo objetivo consiste en la generación de un nuevo modelo de ratón de la enfermedad que presente deficiencia de frataxina a nivel sistémico. Para llevarlo a cabo se han generado ratones homocigotos para la mutación puntual I151F (denominados FXNI151F), y se ha observado que son viables y que presentan una drástica disminución de los niveles de frataxina en todos los tejidos analizados. Los ratones FXNI151F presentan déficits neurológicos progresivos similares a los observados en pacientes. Los estudios bioquímicos realizados en cerebro, cerebelo y corazón demuestran una disminución en el contenido de los complejos I y II del sistema OXPHOS, una disminución de la actividad aconitasa, alteraciones en las defensas antioxidantes, y una desregulación de la homeostasis celular del hierro. Estas alteraciones bioquímicas observadas son previas a la aparición de los primeros síntomas neurológicos, y en el corazón presentan características diferentes de las observadas en el sistema nervioso, sugiriendo que las consecuencias de la falta de frataxina son específicas de cada tejido. Dado que en esta tesis también se demuestra que la consecuencia principal de la mutación I151F in vivo es una disminución de los niveles de frataxina, se afirma que el modelo FXNI151F es una herramienta excelente para el estudio del déficit de frataxina in vivo y para el ensayo de nuevas estrategias terapéuticas.

Friedreich Ataxia (FA) is a rare cardioneurodegenerative disease caused by mutations in FXN gene resulting in decreased levels of frataxin, a mitochondrial protein. Nowadays, it is a disease that has no cure. Most people with FA are homozygous for a GAA triplet expansion in the first intron of the FXN gene. However, 4% of patients are compound heterozygotes for the triplet expansion in one allele and a point mutation in the other allele. Frataxin deficiency is associated with mitochondrial dysfunction, alterations in fatty acid metabolism, iron dyshomeostasis, iron-sulfur centers deficiency, and oxidative stress. This thesis addresses two main objectives. First, the search for drugs with the capacity to restore the defects caused by frataxin deficiency. To address this objective, frataxin-deficient cardiomyocytes have been used and it is shown how supplementation with calcitriol, dichloroacetate, Tiron, leriglitazone or leriglitazone combined with cyclosporin A results in a decreased lipid droplets accumulation in these cells. The second objective is the generation of a murine model of the disease presenting frataxin deficiency systemically. To achieve this objective, mice homozygous for the I151F point mutation (called FXNI151F) have been generated, and it has been observed that they are viable and display a dramatic decrease in frataxin levels in all tissues tested. FXNI151F mice exhibit progressive neurological deficits similar to those observed in patients. The biochemical analyses performed in cerebrum, cerebellum and heart demonstrate a decreased content of complexes I and II of the OXPHOS system, a decrease in aconitase activity, alterations in antioxidant defenses, and deregulation of cellular iron homeostasis. These biochemical alterations precede neurobehavioral deficits observed in the mutant mice, and in heart show different characteristics to those observed in nervous system. Such differences suggest that the consequences of frataxin deficiency are specific for each tissue and driven by several mechanisms. Furthermore, since this thesis also demonstrates that the main consequence of the I151F mutation in vivo is a decrease in frataxin levels, we can conclude that the FXNI151F model is an excellent tool to study frataxin deficiency in vivo and for testing new therapeutic strategies.