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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/5434

Title: BDNF translational control as a therapeutic target in Rett syndorme
Other Titles: Controllo traduzionale del BDNF come target terapeutico per la sindrome di Rett
Authors: Vaghi, Valentina
Supervisor/Tutor: Tongiorgi, Enrico
Issue Date: 11-Apr-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Rett syndrome (RTT, MIM 312750) is a debilitating neurodevelopmental disorder that manifests in early childhood and affects almost exclusively girls. It 's a genetic disorder and is present worldwide with an estimated average incidence of 1:10,000 / 15,000 newborn girls. RTT is the second leading cause of mental retardation in female often misdiagnosed as autism or an unspecified developmental delay. In its classic version, this disease is caused by mutations in the transcription factor Methyl-CpG binding protein 2 (MeCP2) located on the female X chromosome (Amir et al., 1999). MeCP2 is a transcriptional regulator of many genes, including the neurotrophic factor Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF). BDNF is a member of the neurotrophins family and represents a key molecule for neuronal survival and development, and it is involved in learning and memory processes. BDNF levels significantly increase during the first period of postnatal life till it reaches the threshold necessary for the maturations of neurons with the development of dendrites, axons, dendritic spines and synapses. Recent studies have shown that in transgenic mice, in which MECP2 gene has been inactivated to mimic the symptoms of RTT, the mRNA levels of BDNF are reduced and, in these animals at 6-8 weeks of age, the total content of BDNF protein is reduced by 70%. Furthermore, the overexpression of BDNF in MeCP2-/Y mice leads to an increase in lifespan, improved locomotor deficits and electrophysiological defects, while the deletion of the gene coding for BDNF in the same animals leads to an early onset of the disease symptoms. The main goal of this thesis is to identify a possible drug treatment for the treatment of RTT. The idea is based on the fact that in animal models of RTT there are residual levels of mRNA coding for BDNF and that many drugs, mostly used for the treatment of depression, are able to increase the synthesis of BDNF. In this study we analyzed the residual expression of different BDNF transcripts in human brain and in two models of RTT (the mouse and the cellular model). Using quantitative PCR, we determined the residual expression of BDNF transcripts in post mortem brain samples of RTT patients, using tissues from somatosensory and motor cortex (Broadmann areas 1-5), which are the most affected by the disease. In addition, we determined the expression of BDNF transcripts in the cortex and hippocampus of MeCP2-/Y at different of post-natal ages. Finally, in order to establish a cellular model of disease, we disrupted the expression of MeCP2 gene in human neuroblastoma cell line SHSY-5Y (via RNA interference), and then we measured the expression levels of BDNF transcripts. Using the same cell line we obtained information on the translatability of the different BDNF transcripts through a luminescence assay, based on firefly luciferase as a reporter gene. We observed that in the absence of stimuli, each exon contained the 5'UTR of the BDNF leads to a different level of translation of the reporter gene. We therefore conducted a systematic pharmacological translation of each BDNF transcript to determine what compounds may be used to stimulate the synthesis of BDNF starting from its own specific transcripts. The treatment with serotonin and norepinephrine separately, or with two antidepressants such as desipramine and mirtazapine were found to be most effective in stimulating the BDNF synthesis. These results encourage the planning of future experiments to test the efficacy of existing antidepressant drugs in restoring the compromised BDNF levels in RTT.
La sindrome di Rett (RTT, MIM 312750) è un debilitante disordine neurologico dello sviluppo, che si manifesta nella prima infanzia e colpisce quasi esclusivamente le bambine. E’ una malattia genetica ed è presente in tutto il mondo con una incidenza media stimata di 1:10.000 / 15.000 bambine nate. La RTTè la seconda causa di ritardo mentale femminile spesso erroneamente diagnosticata come autismo o un non specificato ritardo dello sviluppo. Nella sua variante classica, questa malattia è causata da mutazioni nel fattore di trascrizione Methyl-CpG binding protein 2 (MeCP2) localizzato sul cromosoma femminile X (Amir et al., 1999). In condizioni normali MeCP2 è un regolatore della trascrizione di numerosi geni, tra cui il fattore neurotrofico Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF). Il BDNF è un membro della famiglia delle neurotrofine e rappresenta una molecola chiave per la sopravvivenza, lo sviluppo neuronale e i processi di apprendimento e memoria. I livelli di BDNF aumentano significativamente durante il primo periodo di vita postnatale fino a raggiungere la soglia necessaria per lo sviluppo di neuroni maturi con lo sviluppo di dendriti, assoni, spine dendritiche e sinapsi. Studi recenti hanno dimostrato che in topi transgenici in cui il gene MeCP2 è stato inattivato per mimare la sintomatologia della RTT, i livelli di mRNA del BDNF risultano ridotti e, in tali animali, a 6-8 settimane di età il contenuto totale di proteina BDNF è ridotto del 70% rispetto agli animali selvatici. Inoltre, l’overespressione di BDNF in topi privi del gene funzionale per MeCP2 porta a un aumento della durata della vita, a un miglioramento dei deficit locomotori e dei difetti elettrofisiologici, mentre la delezione del gene che codifica per bdnf negli stessi animali porta a una precoce insorgenza dei sintomi della patologia. Lo scopo di questa tesi è individuare un possibile trattamento farmacologico per la cura della RTT. L’idea si basa sul fatto che in modelli animali di RTT sono presenti dei livelli residui dell’mRNA codificante per il BDNF e che sono noti numerosi farmaci, utilizzati per lo più per la terapia della depressione che aumentano la sintesi del BDNF. In questo studio abbiamo analizzato l’espressione residuale dei diversi trascritti del BDNF in cervelli umani RTT e in due modelli di RTT. Mediante PCR quantitativa, abbiamo determinato l’espressione residuale dei trascritti del BDNF in cervelli umani di soggetti normali e affetti da RTT di età comparabile usando tessuti delle aree di Broadmann 1-5 che includono le cortecce somatosensoriali e motorie e che risultano essere le più colpite dalla malattia. Inoltre, abbiamo determinato i livelli dei trascritti del BDNF nella corteccia e nell’ippocampo di topi normali e in topi transgenici con delezione del gene MeCP2 (Bird) a differenti stadi post-natali. Infine, per stabilire un modello cellulare della malattia abbiamo distrutto l’espressione di MeCP2 nella linea cellulare di neuroblastoma umano SHSY-5Y mediante la tecnica dell’RNA interference e misurato l’espressione dei trascritti di BDNF. Utilizzando la stessa linea cellulare abbiamo ottenuto informazioni sulla traducibilità dei diversi trascritti del BDNF grazie a un saggio di luminescenza basato sull’utilizzo della luciferasi come gene reporter. Abbiamo osservato che in assenza di stimoli, ogni esone contenuto al 5’UTR del BDNF determina una diverso livello di traduzione del gene reporter. Abbiamo quindi condotto un’analisi farmacologica sistematica della traduzione di ciascun trascritto di BDNF per determinare quali composti possono essere usati per stimolare la sintesi BDNF partendo da un suo specifico trascritto. La combinazione di serotonina e norepinefrina, che si può ottenere anche mediante trattamento con antidepressivi quali desipramina e mirtazapina, è risultata essere la più efficace nello stimolare la sintesi del BDNF. Questi risultati ci incoraggiano a progettare futuri esperimenti per testare farmaci già esistenti sul mercato farmaceutico usando il modello cellulare ed il modello animale RTT.
PhD cycle: XXIII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NEUROSCIENZE E SCIENZE COGNITIVE
Description: 2009/2010
Keywords: Rett syndrome MeCP2
BDNF
translational control
desipramine
mirtazapine
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: BIO/06 ANATOMIA COMPARATA E CITOLOGIA
NBN: urn:nbn:it:units-9024
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