Suppression of Machado-Joseph disease pathogenesis by serotonergic signalling: the contribution of serotonin receptors

Abstract

A doença de Machado-Joseph (DMJ) é uma doença debilitante caracterizada pela perda progressiva do equilíbrio e da coordenação motora. A nível molecular, a DMJ está associada à expansão da repetição de Citosina-Adenina-Guanina (CAG) no gene da ataxina-3. Isto traduz-se num segmento expandido de poliglutaminas na proteína ataxina-3 (ATXN3), que é propenso à auto-associação, sendo a agregação desta proteína uma característica da doença. Apesar dos vários esforços efectuados, não existe cura para esta doença fatal. A modulação da sinalização serotoninérgica foi anteriormente descrita como potencial estratégia terapêutica para a DMJ. O tratamento com citalopram (CIT), um inibidor seletivo da recaptação de serotonina, suprimiu a patogénese da DMJ em vários modelos animais, sendo o efeito do CIT dependente do transportador de serotonina, o seu alvo molecular, com provável contribuição dos receptores serotoninérgicos 5-HT1A/SER-4 e 5-HT2/SER-1. No entanto, o papel de cada receptor serotoninérgico na supressão da proteotoxicidade da ATXN3 mutante não foi ainda elucidado. Aqui, com o objetivo de determinar a contribuição de cada receptor de serotonina (5-HTR) na supressão da proteotoxicidade da ATXN3 usámos um modelo de C. elegans que recapitula as principais características da DMJ, seguindo abordagens químico-genéticas, farmacológicas e bioquímicas, bem como técnicas de microscopia in vivo. Inicialmente, explorámos a contribuição do receptor 5-HT1A usando befiradol, um agonista potente e altamente específico destes receptores. A administração crónica e aguda deste composto melhorou a função motora dos mutantes, sendo o ortólogo do receptor 5-HT1A no nematode, o SER-4, necessário para a sua ação. De forma a aprofundar o conhecimento sobre o impacto do tratamento com befiradol na proteotoxicidade da ATXN3, optimizámos ensaios de retardação em filtro e fracionamento bioquímico para avaliar as espécies agregadas da ATXN3, demonstrando-se que ambas as modalidades de tratamento afectaram a solubilidade desta proteína. De realçar que, usando químicogenética e medições de atividade neuronal, foi-nos possível definir os auto- e hetero-receptores 5- HT1A/SER-4 como essenciais para o efeito terapêutico do befiradol e propor o receptor 5-HT1A como novo alvo terapêutico para a DMJ. Além disso, identificámos uma contribuição parcial dos receptores 5- HT6/SER-5 e 5-HT7/SER-7 para a ação do CIT. Surpreendentemente, o antagonismo dos receptores 5- HT2/SER-1, 5-HT6/SER-5 e 5-HT7/SER-7 mostrou-se benéfico para a função motora de animais mutantes, o que é consistente com dados de perfil de expressão de RNA e farmacoterapia multimodal obtidos no nosso laboratório. Embora promissores, são necessários mais estudos para reforçar estes achados e elucidar as vias específicas pelas quais cada 5-HTR individual afecta a proteotoxicidade da ATXN3.

Machado-Joseph disease (MJD) is a debilitating disease mainly characterized by a progressive loss of balance and motor coordination. At the molecular level, this autosomal dominant disease is associated with an expansion of the Cytosine-Adenine-Guanine (CAG) repeat in the ataxin-3 gene. This translates into a pathologic polyglutamine tract in the ataxin-3 protein (ATXN3) that is prone to selfassociate, aggregation of ATXN3 being a hallmark of the disease. Although several efforts have been made, no cure is yet available for this fatal disorder. Serotonergic signalling modulation, by selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), was previously described as a potential therapeutical strategy for MJD. Treatment with citalopram (CIT), a SSRI used in the clinics to treat depression, suppressed MJD pathogenesis in a disease-modifying manner, in several animal models. CIT’s effect was dependent on its molecular target, the serotonin transporter SERT, likely with the additional need of the serotonin receptors 5-HT1AR/SER-4 and 2-HT2R/SER-1. However, the exact role of each serotonin receptor (5-HTR) in the suppression of mutant ATXN3 proteotoxicity remains to be fully elucidated. Here, we aimed at determining the contribution of each of the 5-HTRs in the suppression of ATXN3 proteotoxicity using a C. elegans model that recapitulates major hallmarks of MJD, by employing chemical genetics, pharmacological- and biochemical- approaches, as well as in vivo dynamic imaging techniques. First, we explored the contribution of the 5-HT1AR using a highly specific and potent agonist of these receptors, befiradol. Chronic and acute administration of befiradol rescued the motor function of mutant animals, the 5-HT1AR orthologue in the nematode, SER-4, being required for its action. To further explore the impact of befiradol treatment in ATXN3 proteotoxicity, we optimised filter retardation and biochemical fractionation assays to assess mutant ATXN3 aggregation states, and we showed that both treatment modalities impacted ATXN3 solubility. Importantly, using chemical genetics and single neuron neuronal activity measurements, we defined 5-HT1AR/SER-4 auto- and heteroreceptors’ function to be essential to befiradol therapeutic outcome, and the 5-HT1AR as a novel therapeutic target for MJD. Additionally, we found a partial contribution of 5-HT6R/SER-5 and 5-HT7R/SER-7 for CIT action and, surprisingly, antagonism of 5-HT2R/SER-1, 5-HT6R/SER-5 and 5-HT7R/SER-7 showed to be beneficial for motor function of mutant animals, which is consistent with RNA-expression profiling and multimodal pharmacotherapy results obtained in our laboratory. Although promising, further studies are needed to support these findings and to elucidate the specific pathways by which each individual serotonin receptor impacts ATXN3 proteotoxicity.