NRF2 and RIP140 as new therapeutic targets for X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD): Control of redox/metabolic homeostasis and inflammation

Abstract

[eng] X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD) is a rare neurometabolic disease characterized by the loss of function of the peroxisomal transporter ABCD1, which leads to an accumulation of very long-chain fatty acids, inducing mitochondrial reactive oxygen species. Clinical phenotypes in humans range from adrenal insufficiency to fatal inflammatory cerebral demyelination. Abcd1-null mice (Abcd1- mice) develop late onset axonal degeneration in the spinal cord and locomotor disability resembling the most common phenotype in humans, adrenomyeloneuropathy (AMN). Oxidative stress and mitochondrial dysfunction are key common features in X-ALD patients as well as in Abcd1- mouse. In this thesis, we sought to explore novel therapeutic targets that would contribute to better understand the pathophysiology of the disease, based on the existing knowledge on these hallmarks of X-ALD. First, we studied the nuclear factor erythroid-derived 2, like 2 (NFE2L2, also known as NRF2), in X-ALD mouse models (Abcd1- and Abcd1-/Abcd2-/- mice) and in fibroblasts derived from healthy subjects and X-ALD patients. Here, we identify that NRF2, the master regulator of endogenous antioxidant response, and its target genes are impaired in X-ALD due to an aberrant activity of the AKT/GSK-3β axis. Moreover, GSK-3β inhibitors reactivated the blunted NRF2-dependent response upon oxidative stress in X-ALD fibroblasts (Chapter I). In a second study, we sought to determine the role of RIP140 (receptor interacting protein 140), a transcriptional coregulator essential for metabolic homeostasis and inflammatory response, in X-ALD pathophysiology. To address this objective we studied RIP140 in Abcd1- mouse, organotypic spinal cord slice cultures (OSCSC) from mice and normal appearing white matter (NAWM) from healthy subjects and cerebral X-ALD patients. We found out a redox-dependent increase of RIP140 in the spinal cord and OSCSC from Abcd1- mice, as well as an induction of RIP140 in the NAWM of childhood cerebral ALD (ccALD) patients (Chapter II). Finally, we explored the therapeutic potential of targeting NRF2 and RIP140, independently, in X-ALD mice (Abcd1- and Abcd1-/Abcd2-/- mice). Regarding NRF2, we followed a pharmacologic approach, by treating Abcd1- and Abcd1-/Abcd2-/- mice with dimethyl fumarate, an FDA-approved NRF2 activator (Chapter I). In the case of RIP140, we followed a genetic approach, by crossing RIP140-deficient mice with X-ALD mouse models (Chapter II). In both cases, the therapeutic intervention led to an amelioration of i) mitochondrial dysfunction, ii) bioenergetic failure, iii) oxidative damage and iv) dysregulated inflammatory profile, and most importantly, halted axonal degeneration and behavioural abnormalities in X-ALD mice (Chapters I and II). Collectively, these findings reveal an impairment of the AKT/GSK-3β/NRF2 axis that controls endogenous response against oxidative stress, as well as point to RIP140 as a candidate for the impaired mitochondrial biogenesis and induction of proinflammatory response in X-ALD. Finally, the results of this doctoral thesis indicate that therapies based on NRF2 activation and RIP140 inhibition may be valuable strategies to treat X-ALD and other neurodegenerative disorders which share impaired redox homeostasis, mitochondrial dysfunction and neuroinflammation among their hallmarks.

[spa] La adrenoleuocodistrofia ligada al cromosoma X (X-ALD) es una enfermedad neurometabólica rara, que se caracteriza por la pérdida de función del transportador peroxisomal ABCD1. Como consecuencia se acumulan ácidos grasos de cadena muy larga, que inducen la producción de especies reactivas de oxígeno en la mitocondria. El cuadro clínico de X-ALD en humanos es variable, desde la insuficiencia adrenal hasta una desmielinización inflamatoria cerebral que suele ser fatal. Los ratones nulos para el gen Abcd1 (ratones Abcd1-) desarrollan una degeneración axonal de aparición tardía en la médula espinal, además de presentar incapacidad locomotora, un fenotipo similar al más común en humanos, la adrenomieloneuropatía (AMN). El estrés oxidativo y la disfunción mitocondrial son unas características claves de X-ALD, tanto en el modelo de ratón como en humanos. En esta tesis, hemos decidido explorar nuevas dianas terapéuticas que contribuyan a una mejor comprensión de la fisiopatología de esta enfermedad, basándonos en el conocimiento existente sobre estas alteraciones en X-ALD. En primer lugar, estudiamos el factor nuclear NRF2 (nuclear factor, erythroid-derived 2, like 2; también NFE2L2) en los modelos animales de X-ALD (ratones Abcd1- y Abcd1-/Abcd2-/-) y en fibroblastos de pacientes con X-ALD y sujetos sanos. Así, identificamos que NRF2, el regulador maestro de la respuesta antioxidante endógena, así como sus genes diana, están inhibidos en X-ALD, debido a una actividad aberrante del eje AKT/GSK-3β. Además, inhibidores de GSK-3β reactivaron la respuesta frente al estrés oxidativo dependiente de NRF2, que estaba bloqueada en los fibroblastos de pacientes con X-ALD (Capítulo I). En el segundo estudio, pretendemos determinar el papel de RIP140 (receptor interacting protein 140) en la fisiopatología de X-ALD. RIP140 es un coregulador transcripcional esencial para la homeostasis metabólica y la respuesta inflamatoria. Para lograr este objetivo, primero estudiamos RIP140 en los ratones Abcd1-, en cultivos organotípicos de láminas de médula espinal (OSCSC) de ratón, y en sustancia blanca cerebral de apariencia normal (NAWM) de pacientes X-ALD. De este modo, encontramos una inducción mediada por estrés oxidativo de RIP140 en la médula espinal y en OSCSC de los ratones Abcd1-, además de una activación de RIP140 en NAWM de pacientes con ALD cerebral infantil (ccALD) (Capítulo II). Por último, investigamos el potencial terapéutico de estas vías para tratar X-ALD, mediante la administración en la dieta de dimetil fumarato, un activador de NRF2 aprobado por la FDA, a los ratones X-ALD (Capítulo I); y a través de la deleción del gen Rip140 en los ratones X-ALD (Capítulo II). En ambos casos, la intervención terapéutica conllevó una mejora de i) la disfunción mitocondrial, ii) el fallo bioenergético, iii) el daño oxidativo, iv) la alteración del perfil inflamatorio, y sobre todo, detuvo la degeneración axonal y previno las alteraciones en el comportamiento en los ratones X-ALD (Capítulos I y II). En conjunto, estos resultados muestran una disfunción del eje AKT/GSK-3β/NRF2, que controla la respuesta antioxidante endógena, así como apuntan a RIP140 como responsable de la disminuida biogenesis mitocondrial y la inducción de la respuesta pro-inflamatoria que observamos en X-ALD. Finalmente, los resultados derivados de esta tesis doctoral indican que terapias basadas en la activación de NRF2 o la inhibición de RIP140 tienen un valor potencial como estrategias terapéuticas para tratar pacientes con X-ALD u otras enfermedades neurodegenerativas, que compartan como sello distintivo, un fallo en la homeostasis redox, disfunción mitocondrial y neuroinflamación.

[cat] L’adrenoleuocodistròfia lligada al cromosoma X (X-ALD) és una malaltia neurometabòlica rara, que es caracteritza per la pèrdua de funció del transportador peroxisomal ABCD1. Com a conseqüència s'acumulen àcids grassos de cadena molt llarga, que indueixen la producció d'espècies reactives d'oxigen en el mitocondri. El quadre clínic de X-ALD en humans és variable, des de la insuficiència adrenal fins a una desmielinització inflamatòria cerebral que sol ser fatal. Els ratolins nuls per al gen Abcd1 (ratolins Abcd1-) desenvolupen una degeneració axonal d'aparició tardana en la medul·la espinal, a més de presentar incapacitat locomotora, un fenotip similar al més comú en humans, l’adrenomieloneuropatia (AMN). L'estrès oxidatiu i la disfunció mitocondrial són unes característiques claus de X-ALD, tant en el model de ratolí com en humans. En aquesta tesi, hem decidit explorar noves dianes terapèutiques que contribueixin a una millor comprensió de la fisiopatologia d'aquesta malaltia, basant-nos en el coneixement existent sobre aquestes alteracions en X-ALD. En primer lloc, hem estudiat el factor nuclear NRF2 (nuclear factor, erythroid-derived 2, like 2; també NFE2L2) en els models animals de X-ALD (ratolins Abcd1- i Abcd1-/ Abcd2-/-) i en fibroblasts de pacients amb X-ALD i subjectes sans. Així, hem identificat que NRF2, el regulador mestre de la resposta antioxidant endògena, així com els seus gens diana, estan inhibits en X-ALD, a causa d'una activitat aberrant de l'eix AKT/GSK-3β. A més, inhibidors de GSK-3β van reactivar la resposta enfront de l'estrès oxidatiu dependent de NRF2, que estava bloquejada en els fibroblasts de pacients amb X-ALD (Capítol I). En el segon estudi, pretenem determinar el paper de RIP140 (receptor interacting protein 140) en la fisiopatologia de X-ALD. RIP140 és un coregulador transcripcional essencial per a l'homeòstasi metabòlica i la resposta inflamatòria. Per aconseguir aquest objectiu, primer hem estudiat RIP140 en els ratolins Abcd1-, en cultius organotípics de làmines de medul·la espinal (OSCSC) de ratolí, i en substància blanca cerebral d'aparença normal (NAWM) de pacients X-ALD. D'aquesta manera, hem trobat una inducció de RIP140 intervinguda per estrès oxidatiu en la medul·la espinal i en OSCSC dels ratolins Abcd1-, a més d'una activació de RIP140 en NAWM de pacients amb ALD cerebral infantil (ccALD) (Capítol II). Finalment, hem investigat el potencial terapèutic d'aquestes vies per tractar X-ALD, mitjançant l'administració en la dieta de dimetil fumarat, un activador de NRF2 aprovat per la FDA, als ratolins X-ALD (Capítol I); i a través de la deleció del gen Rip140 en els ratolins X-ALD (Capítol II). En tots dos casos, la intervenció terapèutica va comportar una millora de i) la disfunció mitocondrial, ii) la fallada bioenergètica, iii) el dany oxidatiu, iv) l'alteració del perfil inflamatori i, sobretot, va aturar la degeneració axonal i va prevenir les alteracions en el comportament en els ratolins X-ALD (Capítols I i II). En conjunt, aquests resultats mostren una disfunció de l'eix AKT/GSK-3β/NRF2, que controla la resposta antioxidant endògena, així com senyalen a RIP140 com a responsable de la disminuïda biogènesis mitocondrial i la inducció de la resposta pro- inflamatòria que observem en X-ALD. Finalment, els resultats derivats d'aquesta tesi doctoral indiquen que teràpies basades en l'activació de NRF2 o la inhibició de RIP140 tenen un valor potencial com a estratègies terapèutiques per tractar pacients amb X-ALD o altres malalties neurodegeneratives, que comparteixin com a segell distintiu, una fallada en l'homeòstasi redox, disfunció mitocondrial i neuroinflamació.