Interaction of ataxin-2 and ataxin-3 in Machado-Joseph disease

Abstract

Machado-Joseph disease also known as Spinocerebellar ataxia type 3 (MJD/SCA3) is a hereditary neurodegenerative disease first described among Portuguese immigrants from Azores. Is the most common autossomal domi-nant spinocerebellar ataxia worldwide and it presents severe clinical features with a fatal outcome. This disease is caused by an unstable expansion of the trinucleotide CAG in the coding region of the MJD1 gene, the mutation is trans-lated into an expanded polyglutamine tract in the protein ataxin-3. The mutant ataxin-3 acquires toxic properties and leads to a downstream of pathogenic mechanisms that make MJD a very heterogeneous disease. Although the polyglutamine expansion in ataxin-3 is sufficient for the pathogen-esis of the disease and for the number of repeats is correlated inversely with the age of onset, clinical observations suggest that the polyQ expansion does not account for all the diversity in the age of onset and clinical manifestations. Interactions between different proteins may affect the age of onset as well as the disease progression. In a screen for modifiers of neurodegeneration in MJD, previous studies found ataxin-2, a protein involved in the spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) which interacts with poly (A)-binding protein (PABP) and may potentiate the neuro-degeneration in MJD. The main goal of our research was to investigate the relation between ataxin-2, PABP and ataxin-3 in MJD. Recurring to human material (brain tissue and fibroblasts), transgenic mice for MJD, a lentiviral-based MJD mouse model and a cellular model of the disease, we observed that levels of ataxin-2 and PABP suffer alterations in MJD. The ataxin-2 immunoreactivity is increased in the human tissue of MJD patients, which also occurred in the transgenic rodents. In the lentiviral model we ob-served both proteins’ recruitment into the nucleus with the progression of the disease. The cellular model revealed a positive feedback between ataxin-2 and PABP that may to be responsible for their capacity in reducing mutant ataxin-3 levels in the disease. Attesting that the levels of the three proteins seem to be inter-dependent, remaining only the question whether this interaction occurs direct or indirectly. These studies indicate that the levels and the consequent toxicity of a polyglu-tamine disease protein can be modulated by the normal activity of another. This synergicall relation may be critical for the pathogenesis of the disease and therefore be a potential therapeutic target.

A doença de Machado-Joseph também conhecida como ataxia espinhocerebelosa tipo 3 (MJD/SCA3) é uma doença neurodegenerativa hereditária descrita pela primeira vez em emigrantes portugueses da região dos Açores. É a ataxia autossómica dominante mais comum e apresenta manifestações clínicas severas com um desfecho fatal. Esta doença é causada por uma expansão instável do trinucleótido CAG na região codificante do gene MJD1, que se traduz numa cadeia com um número excessivo de glutaminas na ataxina-3. A ataxina-3 mutante adquire propriedades tóxicas e desencadeia uma patogénese complexa com manifestações heterogéneas. Apesar da expansão poliglutamínica na proteína ataxina-3 ser suficiente para induzir a patogénese da doença e do número de repetições se correlacionar inversamente com a idade de início dos sintomas, não permite explicar toda a diversidade na idade de iníco e nas manifestações clínicas. Há evidências de que a interação entre diferentes proteinas pode afectar quer a idade de ínicio dos sintomas quer a progressão da doença. Na procura de modificadores da neurodegeneração da DMJ estudos recentes sugerem que a ataxina-2, uma proteína envolvida na ataxia espinocerebelosa do tipo 2 (SCA2) que interage com a proteína ligante da cadeia de poliadenina do RNA mensageiro (PABP) e poderá potenciar a neurodegeneração na DMJ. O objectivo principal deste trabalho foi investigar a interacção entre a ataxina-2, PABP e a ataxina-3 na DMJ. Utilizando material humano (tecido cerebral e fibroblastos), animais trangénicos para a doença, um modelo lentiviral em roedor e ainda um modelo celular da doença, observámos que os níveis de ataxina-2 e PABP sofrem alterações na DMJ. A imunoreactividade para a ataxina-2 encontra-se aumentada no tecido humano dos doentes, o que também ocorreu também no murganos trangénicos. No modelo lentiviral observámos um recrutamento de ambas as proteínas para o núcleo da célula coincidente com a progressão da doença. O modelo celular revelou um feedback positivo entre os níveis de ataxina-2 e PABP, que poderá estar na base da sua capacidade de reduzir os níveis de ataxina-3 mutante na doença. Provando assim que os níveis das três proteínas parecem ser interdependentes, permanecendo a questão se esta interação ocorre de forma directa ou indirecta. Estes estudos sugerem que os níveis e consequente toxicidade de uma proteína poliglutamínica mutada pode ser modulada pela actividade normal de outra. Esta relação sinérgica pode ser crítica para a patogénese da doença e desta forma constituir um potencial alvo terapêutico.