Characterization of pathological pathways activated in muscles of patients with congenital myopathies with disturbed Ca2+ homeostasis

Prof. Susan Treves, University of Basel

 

Abstract (Lay summary see below)

Although the genetic defect in Duchenne muscular dystrophy (DMD) has been discovered more than 25 years ago, no cure to date exists for this debilitating disorder. Patients’ hope remains highly in the quick development of efficient therapeutic approaches aiming at either correcting or compensating the defective gene. Exon skipping therapy in development so far would help only a subset of DMD patients and the FDA considers the efficacy of these approaches is not sufficient. This highlights the need to tackle this unmet urgency through innovative therapeutic approaches.

Oxidative stress is an early consequence of dystrophin absence in skeletal muscles. Data from our lab and others place NADPH oxidases (NOX) as major sources of oxidative stress in this disease. We have shown that targeting NOX-derived reactive oxygen species (ROS) result in restoring cellular homeostasis, making NOXes attractive targets for novel therapies.

Our main objective is to validate NOXes as targets of therapeutic interest in DMD. This will be achieved through breaking down our main objective into 3 complementary aims. The first is to determine NOX expression and activity profile in a mouse model of DMD. The second is to evaluate NOX involvement in the dystrophic pathogenesis using a genetic approach. Finally, the third is to pharmacologically target NOX in dystrophic models and to help the search of novel isoform-specific NOX inhibitors for therapeutic purposes. To tackle these aims, common laboratory techniques such as PCR, western blotting and biochemical assays will be used to profile NOX activity in different stages of the disease. Transgenic mice with muscle specific knock out of NOX genes will be characterized using established procedures in the lab. NOX inhibitors previously reported and others from our collaborators will be used to target NOXes both in vivo and in vitro to evaluate its therapeutic potential. Structure-activity relationship analysis will allow understanding isoform specificity of NOX inhibitors and will pave the way for future rational drug design leading to novel isoform specific NOX inhibitors.

Lay summary

Caratterizzazione dei meccanismi patologici attivati nei muscoli di pazienti affetti da miopatie congenite caratterizzate da alterazioni dell’omeostasi del Ca2+ intracellulare.

Le miopatie congenite comprendono un ampio spettro di malattie fenotipicamente e genotipicamente diverse, caratterizzate da debolezza muscolare, atrofia, contratture articolari, scogliosi con la presenza o l’assenza di coinvolgimento cardiorespiratorio. Storicamente queste malattie sono state definite dalle loro caratteristiche istopatologiche come ad esempio, la malattia Central Core, la malattia Multi-minicore, la miopatia Nemaline, la malattia Centronuclear etc. Ogni malattia congenita può essere causata da mutazioni in più geni e mutazioni all’interno dello stesso gene possono causare malattie fenotipicamente e patologicamente diverse. Negli ultimi anni avanzamenti nelle metodiche di sequenziamento del DNA hanno dimostrato che molti pazienti affetti da malattie congenite muscolari hanno mutazioni nei geni codificanti proteine coinvolte nell’omeostasi del calcio. Tuttavia si è anche scoperto che una parte dei pazienti è portatore di mutazioni in geni codificanti proteine non direttamente coinvolte nell’omeostasi del calcio come ad esempio SEPN1, MTM1 e KBTBD13. Ricerche più approfondite hanno pero dimostrato che i muscoli di questi ultimi pazienti mostrano comunque cambiamenti nella regolazione del Ca2+ intracellulare e che questi cambiamenti nell’omeostasi del calcio potrebbero essere la causa della debolezza muscolare. Questi risultati evidenziano anche il fatto che manca ancora un nesso tra l’effetto primario della mutazione e i cambiamenti secondari nell’omeostasi del Ca2+. 
Lo scopo principale di questo progetto è di identificare questo nesso. La nostra ipotesi di base è che meccanismi patologici comuni sono attivati nei muscoli di pazienti affetti d miopatie congenite che hanno come caratteristica un’alterazione dell’omeostasi intracellulare del Ca2+. In questi pazienti la funzionalità muscolare è disturbata non solo perché le mutazioni hanno un effetto sulla funzionalità proteica, ma anche perché la presenza di mutazioni causa l’attivazione di eventi patologici secondari, che portano alla diminuita espressione di geni muscolo-specifici che sono coinvolti nell’eccitazione-contrazione. L’identificazione di questi pathways molecolari a valle della mutazione primaria, è fondamentale al fine di sviluppare terapia farmacologiche mirate a migliorare la funzionalità muscolare e dunque la qualità della vita di questi pazienti.