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The role of 4E-BP1 in Huntington’s disease: modulation of translation initiation as a therapeutic strategy

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Universitat de Barcelona. Departament de Biomedicina

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[eng] Precise regulation of translation initiation plays a critical role in learning and memory processes, and defects in this process have been linked to numerous cognitive disorders including neurological disorders such as addiction, fragile X syndrome or autism, as well as various neurodegenerative disorders such as Parkinson's disease. Previous results from our group described the increase in the formation of the eIF4F protein complex and the inactivation of factor 4E-BP1 accompanied by the aberrant increase in the de novo translation rate in the striatal neurons of the R6/1 mouse, a model of Huntington's disease (HD). In addition, we observed that intracerebroventricular injection of the inhibitor of the initiation complex 4EGI-1 is able to normalize protein synthesis and improve motor symptomatology in this HD model. For this reason, in this Thesis, we have continued to explore the contribution of increased cap-dependent translation to HD progression. Specifically, we have evaluated the potential of modulation of 4E-BP1 factor activity, as a key limiting step in the initiation of cap-dependent translation, in the reduction of striatal pathology that occurs in HD. Second, we have established the primary cultures of striatal neurons from the R6/1 mouse as an in vitro model capable of replicating the same translational alterations observed in the striatum and have used it to identify the potential of generic drugs already approved by the FDA and widely distributed (i.e. sertraline and metformin) to normalize the increase in cap-dependent translation in the molecular context of HD. In addition, we have explored the potential of the selected drugs to normalize the increase in cap-dependent translation and to improve the symptoms by reproducing the effect observed with the intracerebroventricular injection of the inhibitor 4EGI-1, which is still an experimental drug, in R6/1 mice. Finally, we have described alterations in translation in the hippocampus of R6/1 mice including an increase in phosphorylation of factor 4E-BP1 and de novo synthesis. Specifically, we have observed that translation dysregulation selectively affects proteins of pathways associated with energy production previously related to the hyperphosphorylation of 4E-BP1. In addition, the normalization of protein synthesis through intracerebroventricular injection of 4EGI-1 has also induced an improvement in cognitive symptomatology associated with the hippocampus, reinforcing the hypothesis of dysregulation of the translation initiation process as a molecular mechanism and potential therapeutic target in HD.

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[cat] La regulació precisa de l'inici de la traducció té un paper crític en els processos d'aprenentatge i memòria, i els defectes d'aquest procés s'han relacionat amb nombrosos trastorns cognitius, inclosos trastorns neurològics com l'addicció, la síndrome X fràgil o l'autisme, així com diversos trastorns neurodegeneratius com la malaltia de Parkinson. Els resultats previs del nostre grup descrivien l'augment de la formació del complex proteic eIF4F i la inactivació del factor 4E-BP1 acompanyat de l'augment aberrant de la  velocitat de traducció de novo  en les neurones estriades del ratolí R6/1, un model de malaltia de Huntington (HD). A més, vam observar que la injecció intracerebroventricular de l'inhibidor del complex d'iniciació 4EGI-1 és capaç de normalitzar la síntesi de proteïnes i millorar la simptomatologia motora en aquest model de HD.
Per aquest motiu, en aquesta tesi, hem continuat explorant la contribució de l'augment de la traducció dependent de la capa a la progressió de la HD. Específicament, hem avaluat el potencial de modulació de l'activitat del factor 4E-BP1, com a pas limitant clau en l'inici de la traducció dependent de la tapa, en la reducció de la patologia estriatal que es produeix en la HD.
En segon lloc, hem establert els cultius primaris de neurones estriatals del ratolí R6/1 com un  model in vitro  capaç de replicar les mateixes alteracions translacionals observades en l'estriat i l'hem utilitzat per identificar el potencial de fàrmacs genèrics ja aprovats per la FDA i àmpliament distribuïts (és a dir, sertralina i metformina) per normalitzar l'augment de la traducció dependent de la capa en el context molecular de la HD. A més, hem explorat el potencial dels fàrmacs seleccionats per normalitzar l'augment de la traducció dependent de la tapa
i millorar els símptomes reproduint l'efecte observat amb la injecció intracerebroventricular de l'inhibidor 4EGI-1, que encara és un fàrmac experimental,
 
	en ratolins R6/1.

Finalment, hem descrit alteracions en la traducció a l'hipocamp de ratolins R6/1, incloent un augment de la fosforilació del factor 4E-BP1 i la  síntesi de novo. Específicament, hem observat que la desregulació de la traducció afecta selectivament proteïnes de vies associades a la producció d'energia prèviament relacionades amb la hiperfosforilació de 4E-BP1. A més, la normalització de la síntesi de proteïnes mitjançant la injecció intracerebroventricular de 4EGI-1 també ha induït una millora de la simptomatologia cognitiva associada a l'hipocamp, reforçant la hipòtesi de desregulació del procés d'iniciació de la traducció com a mecanisme molecular i potencial diana terapèutica en la HD.

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[spa] La regulación precisa de la iniciación de la traducción desempeña un papel crítico en los procesos de aprendizaje y memoria, y defectos en este proceso se han relacionado con numerosos trastornos cognitivos incluyendo tanto trastornos neurológicos como la adicción, el síndrome del X frágil o el autismo, así como diversos trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Parkinson. Resultados anteriores de nuestro grupo describieron el aumento de la formación del complejo proteico eIF4F y de la inactivación del factor 4E-BP1 acompañado del aumento aberrante de la tasa de traducción de novo en las neuronas estriatales del ratón R6/1, modelo de la enfermedad de Huntington (EH). Además, observamos que la inyección intracerebroventricular del inhibidor del complejo de iniciación 4EGI-1 es capaz de normalizar la síntesis proteica y mejorar la sintomatología motora en este modelo de la EH.
Por este motivo, en esta Tesis, hemos continuado explorado la contribución del aumento de la traducción cap-dependiente en la progresión de la EH. Específicamente, hemos evaluado el potencial de la modulación de la actividad del factor 4E-BP1, como paso limitante clave en la iniciación de la traducción cap-dependiente, en la reducción de la patología estriatal que se produce en la EH.
En segundo lugar, hemos establecido los cultivos primarios de neuronas estriatales del ratón R6/1 como modelo in vitro capaz de replicar las mismas alteraciones traduccionales observadas en el estriado y lo hemos usado para identificar el potencial de fármacos genéricos ya aprobados por la FDA y ampliamente distribuidos (i.e. sertralina y metformina) para normalizar el aumento de la traducción cap-dependiente en el contexto molecular de la EH. Además, hemos explorado el potencial de los fármacos seleccionados para normalizar el aumento de la traducción cap-dependiente
y mejorar la sintomatología reproduciendo el efecto observado con la inyección intracerebroventricular del inhibidor 4EGI-1, que todavía es un fármaco experimental,
 
	en ratones R6/1.

Por último, hemos descrito alteraciones en la traducción en el hipocampo del ratón R6/1 incluyendo un aumento de la fosforilación del factor 4E-BP1 y de la síntesis de novo. Concretamente, hemos observado que la desregulación de la traducción afecta selectivamente a proteínas de vías asociadas a la producción de energía previamente relacionadas con la hiperfosforilación de 4E-BP1. Adicionalmente, la normalización de la síntesis proteica a través de la inyección intracerebroventricular de 4EGI-1 también ha inducido una mejora en la sintomatología cognitiva asociada al hipocampo reforzando la hipótesis de la desregulación del proceso de iniciación de la traducción como mecanismo molecular y potencial diana terapéutica en la EH.

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Tesis Doctorals - Departament - Biomedicina

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The role of 4E-BP1 in Huntington’s disease: modulation of translation initiation as a therapeutic strategy