New molecular targets and signaling pathways for spinal cord therapeutics | Novos alvos moleculares e vias de sinalização para a terapêutica da lesão medular

Traumatic spinal cord injury (SCI) is a neuropathology that leads to severe disabilities in patients, as the affected neurons of the central nervous system (CNS), unlike those of the peripheral nervous system (PNS), cannot regenerate the damaged axons. Small peripheral nerve injuries can regenerate spontaneously, while in more severe peripheral injuries, regeneration can be assisted by autografts or artificial structures, resulting in full or near full recovery. For this reason, peripheral nerve injuries (PNI) are a widely used model to discover and validate new Regeneration-Associated Genes (RAGs) with the potential to improve the regeneration of central neurons. Indeed, contrary to what was long-time believed, CNS neurons can regenerate if placed in a favorable environment and when the expression of some RAGs is boosted in these neurons. The work here described aimed at the characterization and identification of new potential RAGs, and is divided in two main parts: a targeted approach to characterize and assess potential pro-regenerative roles of the KIF4A and MPP3 genes, using rodent models with sciatic nerve injuries, as well as cultures of primary rodent Schwann cells and human SH-SY5Y neuroblastoma cells; and a non-directed, wide transcriptomic analysis using Next Generation RNA sequencing, of the responses of different neuronal populations either to a nonregenerative axotomy at the spinal cord (SCI) or to a regenerative axotomy at the sciatic nerve (PNI), followed by validation and loss-of-function assays in F11 cells, an immortalized cell line of Dorsal Root Ganglia (DRG) sensory neurons. In the first part, MPP3 and KIF4 were observed to be both present in adult nervous systems, to be regulated after PNI in DRG and distal nerve stumps although at different time points, and may be involved in promoting axonal growth directly or indirectly by cell-cell contact mechanisms. KIF4A role in Schwann cells proliferation was also proved. In the second part, through a comprehensive comparative analysis we have uncovered the differences and similarities of the early transcriptomic responses of sensory and motor neurons to CNS or PNS axonal injuries, and identified a list of new putative RAGs with the potential to increase the inherent regenerative capacity of neurons. Preliminary functional assays on selected candidates already indicates potential neuritogenic functions for most of these. We believe that the continuation of this work will prove our approach as a valuable tool for discovering new potential therapeutic targets for neuropathologies that still lack a cure, such as SCI.

A lesão traumática da medula espinhal, ou lesão vertebro-medular (em inglês SCI) é uma neuropatologia que resulta em deficiências graves nos pacientes, uma vez que os neurónios afetados do sistema nervoso central (SNC), ao contrário dos do sistema nervoso periférico (SNP), não conseguem regenerar os axónios danificados. Pequenas lesões nos nervos periféricos podem se regenerar espontaneamente, enquanto em lesões periféricas mais graves, a regeneração pode ser auxiliada por enxertos autólogos ou estruturas artificiais, resultando em recuperação completa ou quase completa. Por esse motivo, as lesões dos nervos periféricos (PNI) são um modelo amplamente utilizado para descobrir e validar novos Genes Associados à Regeneração (em inglês RAGs) com potencial para melhorar a regeneração dos neurónios centrais. De facto, ao contrário do que se acreditava durante muito tempo, os neurónios do SNC podem regenerar se colocados num ambiente favorável e quando a expressão de alguns RAGs é estimulada. O trabalho aqui descrito teve como objetivo a caracterização e identificação de novos RAGs potenciais, e está dividido em duas partes principais: uma abordagem direcionada para caracterizar e avaliar possíveis papeis próregenerativos dos genes KIF4A e MPP3, usando modelos de roedores com lesões no nervo ciático, bem como culturas de células de Schwann de roedores e células de neuroblastoma humanas SH-SY5Y; e uma análise transcriptómica ampla e não direcionada usando sequenciamento de RNA de última geração das respostas de diferentes populações neuronais, quer a uma axotomia não regenerativa na medula espinhal (SCI), quer a uma axotomia regenerativa no nervo ciático (PNI), seguida de validação e ensaios de perda de função em células F11, uma linha celular imortalizada de neurónios sensoriais dos gânglios da raiz dorsal (DRG). Na primeira parte, observou-se que tanto a MPP3 como a KIF4A estão presentes nos sistemas nervosos adultos, são reguladas após PNI em DRG e mo nervo, embora em momentos diferentes, e podem estar envolvidos na promoção do crescimento axonal direta ou indiretamente por meio de mecanismos de contacto célula-célula. O papel da KIF4A na proliferação das células de Schwann também foi comprovado. Na segunda parte, por meio de uma análise comparativa abrangente, descobrimos as diferenças e semelhanças das respostas transcriptómicas agudas de neurónios sensoriais e motores a lesões axonais no SNC ou SNP e identificamos uma lista de novos RAGs com o potencial de aumentar a capacidade regenerativa inerente dos neurónios. Ensaios funcionais preliminares em candidatos selecionados já indicam funções neuritogénicas potenciais para a maioria deles. Acreditamos que a continuação deste trabalho comprovará que a nossa abordagem é uma ferramenta valiosa para descobrir novos alvos terapêuticos potenciais para neuropatologias que ainda carecem de cura, como a SCI.

Programa Doutoral em Biomedicina