Study of chitinase 3-like 1 as a prognostic biomarker of neurodegeneration in multiple sclerosis

Abstract

L'esclerosi múltiple (EM) és un trastorn autoimmunitari crònic que afecta el sistema nerviós central (SNC), caracteritzat per desmielinització i neurodegeneració. Malgrat els esforços terapèutics actuals centrats en estratègies antiinflamatòries i immunomoduladores, la fase progressiva de la malaltia encara presenta reptes en el tractament. Per tant, hi ha una necessitat imperativa de biomarcadors capaços de capturar els diversos aspectes de la heterogeneïtat de l'EM, que serveixin com a eines essencials per entendre la progressió de la malaltia i potencialment identificar objectius terapèutics. La proteína 1 similar a la quitinasa-3 (CHI3L1) emergeix com un biomarcador prometedor en l'EM, amb nivells elevats al líquid cefalorraquidi (LCR) vinculats a la conversió del síndrome aïllat clínicament (SAC) a l'EM i una ràpida progressió de la discapacitat. A més, els nivells elevats de CHI3L1 estan associats amb un major risc de discapacitat neurològica, el desenvolupament d'una fase progressiva secundària de l'EM i la disfunció cognitiva en les primeres etapes de l'EM. Sobre la base d'aquestes observacions clíniques, el nostre grup de recerca va realitzar en el passat un estudi preliminar en neurones corticals murins, revelant una disminució de la viabilitat i la retracció de dendrites induïda per CHI3L1. Aquesta exploració crucial va impulsar una transició a neurones humanes derivades de cèl·lules mare pluripotents induïdes humanes (hiPSCs) de pacients amb EM recaient-remitent (EMRR). En aquest model, CHI3L1 va induir la retracció de dendrites i la reducció de l'arborització dendrítica. Les alteracions sinàptiques també eren evidents, amb una disminució de la sinapsina, un marcador presinàptic, i sinapsis actives, juntament amb una tendència a la reducció de la PSD-95, un marcador postsinàptic. De manera notable, CHI3L1 va induir canvis dinàmics en el comportament de la xarxa neuronal i una major excitabilitat neuronal, com es va demostrar mitjançant estudis d'imatge de calci. Els anàlisis transcriptòmics i bioinformàtics exhaustius van revelar modificacions en processos i senyals relacionats amb les sinapsis, alineats amb els canvis observats en la funció sinàptica i l'excitabilitat. A més, vam detectar alteracions associades amb vies inflamatòries i remodelació del citoesquelet, concordant amb la naturalesa pleiotròpica de CHI3L1. La validació mitjançant RT-qPCR va mostrar els patrons d'expressió diferencial de gens prèviament implicats en processos neurodegeneratius i sinàptics (com ara UHMK1) o relacionats amb malalties neuropsiquiàtriques i processos de metilació cel·lular (com ara GNMT). Les investigacions moleculars van revelar l'activació de la via JAK/STAT1 per CHI3L1, específicament a través de la fosforilació de STAT1 en el residu Y701. L'anàlisi d'enriquiment de factors de transcripció va implicar IRF1 i STAT1 com a reguladors potencials, establint un vincle directe entre CHI3L1 i la via de resposta a la interferó. En conjunt, la recerca realitzada en aquesta tesi integra observacions clíniques amb coneixements mecanístics, assenyalant CHI3L1 com un biomarcador valuós en la progressió de l'EM i elucidant els seus efectes neurotòxics en neurones humanes. Aquestes troballes contribueixen a una comprensió més ampla del paper de CHI3L1 en la patogènesi de l'EM, oferint vies potencials per a intervencions terapèutiques dirigides.

La esclerosis múltiple (EM) es un trastorno autoinmune crónico que afecta el sistema nervioso central (SNC), caracterizado por desmielinización y neurodegeneración. A pesar de los esfuerzos terapéuticos actuales centrados en estrategias antiinflamatorias e inmunomoduladoras, la fase progresiva de la enfermedad sigue presentando desafíos en el tratamiento. Existe una necesidad imperativa de biomarcadores capaces de capturar los diversos aspectos de la heterogeneidad de la EM, sirviendo como herramientas esenciales para comprender la progresión de la enfermedad y potencialmente identificar dianas terapéuticas. La proteína 1 similar a la quitinasa-3 (CHI3L1) emerge como un biomarcador prometedor en la EM, con niveles elevados en el líquido cefalorraquídeo (LCR) relacionados con la conversión del síndrome clínicamente aislado (SCA) a la EM y la rápida progresión de la discapacidad. Además, niveles elevados de CHI3L1 se asocian con un mayor riesgo de discapacidad neurológica, desarrollo de una fase de EM secundariamente progresiva y disfunción cognitiva en las etapas iniciales de la EM. Basándonos en estas observaciones clínicas, nuestro grupo de investigación llevó a cabo un estudio preliminar en neuronas corticales murinas, revelando una reducción en la viabilidad y retracción de dendritas inducidas por CHI3L1. Esta exploración crucial condujo a una transición a neuronas humanas derivadas de células madre pluripotentes inducidas (hiPSCs) de pacientes con EM remitente-recurrente (EMRR). En este modelo, CHI3L1 indujo retracción de dendritas y reducción de la arborización dendrítica. También se observaron alteraciones sinápticas, con disminución de la sinapsina, un marcador presináptico, y sinapsis activas, junto con una tendencia a la reducción de PSD-95, un marcador postsináptico. Notablemente, CHI3L1 indujo cambios dinámicos en el comportamiento de la red neuronal y aumentó la excitabilidad neuronal, según lo demostrado por estudios de imágenes de calcio. Análisis transcriptómicos y bioinformáticos revelaron modificaciones en procesos y señalización relacionados con las sinapsis, en línea con los cambios observados en la función sináptica y la excitabilidad. Además, detectamos alteraciones asociadas con vías inflamatorias y remodelación del citoesqueleto, coherentes con la naturaleza pleiotrópica de CHI3L1. La validación mediante RT-qPCR mostró patrones de expresión diferencial de genes previamente implicados en procesos neurodegenerativos y sinápticos (como UHMK1) o vinculados a enfermedades neuropsiquiátricas y procesos de metilación celular (como GNMT). Las investigaciones moleculares revelaron la activación de la vía JAK/STAT1 por CHI3L1, específicamente mediante la fosforilación de STAT1 en el residuo Y701. El análisis de enriquecimiento de factores de transcripción implicó a IRF1 y STAT1 como posibles reguladores, estableciendo un vínculo directo entre CHI3L1 y la vía de respuesta a interferones. En resumen, la investigación desarrollada en esta tesis integra observaciones clínicas con estudios de los mecanismos, señalando a CHI3L1 como un valioso biomarcador en la progresión de la EM y elucidando sus efectos neurotóxicos en neuronas humanas. Estos hallazgos contribuyen a una mayor comprensión del papel de CHI3L1 en la patogénesis de la EM, ofreciendo posibles vías para intervenciones terapéuticas específicas.

Multiple sclerosis (MS) is a chronic autoimmune disorder affecting the central nervous system (CNS), characterized by demyelination and neurodegeneration. Despite current therapeutic efforts focusing on anti-inflammatory and immune-modulatory strategies, the progressive phase of the disease still presents challenges in treatment. There is therefore an imperative need for biomarkers capable of capturing the diverse aspects of the heterogeneity of MS, serving as essential tools for understanding disease progression and potentially identifying therapeutic targets. Chitinase-3 like 1 (CHI3L1) emerges as a promising biomarker in MS, with elevated levels in the cerebrospinal fluid (CSF) linked to the conversion from clinically isolated syndrome (CIS) to MS and rapid disability progression. Furthermore, increased CHI3L1 levels are associated with increased risk of neurological disability, development of a secondary progressive phase of MS, and cognitive dysfunction in early MS. Building upon these clinical observations, our research group conducted in the past a preliminary study on murine cortical neurons, revealing reduced viability and dendrite retraction induced by CHI3L1. This crucial exploration prompted a transition to human neurons derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) of relapsing-remitting MS (RRMS) patients. In this model, CHI3L1 induced dendrite retraction and reduced dendritic arborization. Synaptic alterations were also evident, with decreased synapsin, a pre-synaptic marker, and active synapses, along with a trend for reduced PSD-95, a post-synaptic marker. Notably, CHI3L1 induced dynamic changes in neuronal network behaviour and increased neuronal excitability, as demonstrated by calcium imaging studies. Comprehensive transcriptomic and bioinformatic analyses unveiled modifications in synaptic-related processes and signalling, aligning with the observed changes in synaptic function and excitability. Additionally, we detected alterations associated with inflammatory pathways and cytoskeleton remodelling, consistent with the pleiotropic nature of CHI3L1. RT-qPCR validation showed the differential expression patterns of genes previously implicated in neurodegenerative and synaptic processes (such as UHMK1) or linked to neuropsychiatric diseases and cellular methylation processes (such as GNMT). Molecular investigations revealed the activation of the JAK/STAT1 pathway by CHI3L1, specifically through the phosphorylation of STAT1 at the Y701 residue. Transcription factor enrichment analysis implicated IRF1 and STAT1 as potential regulators, establishing a direct link between CHI3L1 and the interferon response pathway. Altogether, the research conducted in this thesis integrates clinical observations with mechanistic insights, pointing at CHI3L1 as a valuable biomarker in MS progression and elucidating its neurotoxic effects on human neurons. These findings contribute to a broader understanding of the role of CHI3L1 in MS pathogenesis, offering potential avenues for targeted therapeutic interventions.