CORTICAL INHIBITION OF HYPERACTIVE ADAM10 PREVENTS CORTICO-STRIATAL CIRCUITRY DEFECTS IN HUNTINGTON¿S DISEASE

Huntington's disease (HD), a devastating neurodegenerative disorder caused by a CAG triplet expansion in exon 1 of the huntingtin gene (HTT), is characterized by progressive neuronal loss, predominantly in the striatum and cortex. Neuroimaging and electrophysiological studies consistently reveal that cortical projection neurons, the main presynaptic input to the striatum, are compromised early in the disease. While both cortical and striatal neurons are affected by mutant Htt, in vivo and in vitro studies have shown that selective mutant Htt expression specifically in cortical neurons is both necessary and sufficient to disrupt cortico-striatal circuitry integrity and drive striatal pathology. This highlights presynaptic cortical dysfunction as a critical contributor to striatal degeneration in HD, presenting an intriguing target for the development of novel drugs for HD. At the molecular level, the disruption of Brain- Derived Neurotrophic Factor (BDNF) synthesis and transport in cortical neurons is solidly associated with cortico-striatal circuitry dysfunction and striatal pathology in HD. As part of the continuing efforts to unravel the molecular mechanisms driving HD-related synaptic dysfunction, our group discovered A Disintegrin And Metalloproteinase Domain-containing protein 10 (ADAM10) as novel synaptic partner of Htt. ADAM10 exerts fundamental roles in the homeostasis of neuronal networks through its proteolytic activity on a plethora of synaptic adhesion proteins. In HD, the ADAM10/Htt complex is hampered, leading to ADAM10 accumulation at the synapse, which in turn disrupts synaptic function and contributes to cognitive decline in HD mice. More recent findings revealing ADAM10’s pivotal role in presynaptic homeostasis—specifically in the regulation of synaptic vesicle transport and release—have led us to propose the intriguing hypothesis that increased accumulation of active ADAM10 in HD cortical neurons may trigger cortico-striatal dysfunction and striatal pathology in HD. The aim of this PhD thesis is to investigate the contribution of presynaptic (cortical) ADAM10 in HD cortico-striatal circuitry dysfunction. To reconstruct the HD cortico-striatal circuitry I employed a microfluidic-based cellular platform with separated cortical and striatal compartments. By selectively inhibiting ADAM10 activity in either the pre- or postsynaptic compartment, I uncovered that cortical ADAM10 inhibition alone is both necessary and sufficient to protect the striatum from synapse loss and dendritic atrophy. Additionally, I demonstrated that inhibition of cortical ADAM10 enhances BDNF gene transcription and trafficking, which are processes severely impaired in HD and pivotal for the survival of striatal neurons and the activity of the cortico-striatal circuitry. Notably, I found that the neuroprotection determined by cortical ADAM1o inhibition was abolished when striatal neurons were concurrently treated with the TrkB antagonist ANA12. We thus concluded that inhibiting cortical ADAM10 shields the HD cortico- striatal circuitry from synaptic disconnection and striatal atrophy by reactivating the BDNF signaling pathway cascade. Moreover, I found that chemical inhibition of ADAM10 prevents cortico-striatal synapse loss and neurobehavioral deficits in a mouse model of HD. Overall, these findings support ADAM10 inhibition in the cortex as a new therapeutic option for HD.

La malattia di Huntington (MH), una patologia neurodegenerativa causata da un'espansione della tripletta CAG nell'esone 1 del gene huntingtina (HTT), è caratterizzata da una progressiva perdita dei neuroni prevalentemente nel corpo striato e nella corteccia cerebrale. Studi elettrofisiologici e di neuroimaging indicano che i neuroni di proiezione corticale, che rappresentano il principale input presinaptico allo striato, sono compromessi precocemente. Inoltre, studi in vivo ed in vitro hanno dimostrato che l'espressione della proteina Htt mutata nei neuroni corticali è necessaria e sufficiente ad alterare l'integrità del circuito cortico-striatale e ad indurre atrofia nello striato. La disfunzione corticale presinaptica gioca, quindi, un ruolo rilevante nella degenerazione striatale diventando pertanto un bersaglio interessante per lo sviluppo di nuovi farmaci che contrastino la MH. A livello molecolare, è noto che la compromissione della sintesi e del trasporto di Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) nei neuroni corticali è solidamente associata alla disfunzione del circuito cortico-striatale e all’atrofia dello striato. Il nostro gruppo ha recentemente identificato A Disintegrin And Metalloproteinase Domain-containing protein 10 (ADAM10) come nuovo interattore sinaptico di Htt. ADAM10, esercitando attività proteolitica su un ampio repertorio di proteine di adesione cellulare sinaptica, svolge un ruolo fondamentale nell’omeostasi delle reti neuronali. Nella MH, il complesso ADAM10/Htt è disfunzionale e la forma attiva dell’enzima si accumula alla sinapsi, alterandone la funzionalità e contribuendo all’insorgenza di difetti cognitivi in modelli animali di MH. Scoperte più recenti, che rivelano un ruolo fondamentale di ADAM10 nella regolazione della funzionalità presinaptica, ci hanno portato a proporre l'ipotesi che nella MH sia l’accumulo di ADAM10 nei neuroni corticali a scatenare disfunzione del circuito cortico-striatale e l’atrofia dello striato. L'obiettivo di questa tesi di dottorato è stato pertanto di indagare il contributo di ADAM10 presinaptico (corticale) nella disfunzione del circuito cortico-striatale Huntington. Avvalendomi di una piattaforma basata su sistemi di microfluidica, composta da compartimenti pre- e postsinaptici separati, ho ricostruito il circuito cortico-striatale Huntington e ho inibito ADAM10 in modo selettivo nei due componenti del circuito. I risultati ottenuti dimostrano che inibire farmacologicamente ADAM10 solo nei neuroni corticali è necessario e sufficiente a proteggere i neuroni striatali da segni distintivi della malattia, come la perdita di sinapsi e l'atrofia dendritica. Inoltre, l’inibizione di ADAM10 nei neuroni corticali aumenta la trascrizione e il trasporto assonale di BDNF, entrambi ridotti nella MH e con rilevanza nella sua patogenesi, in quanto il BDNF corticale è essenziale per la sopravvivenza dei neuroni striatali e per l'attività del circuito stesso. Ho inoltre dimostrato che l’effetto neuroprotettivo determinato dall'inibizione corticale di ADAM10 si riduce drasticamente quando i neuroni striatali vengono trattati con ANA12, antagonista di TrkB, recettore d’elezione del BDNF. Abbiamo, quindi, concluso che l'inibizione di ADAM10 corticale protegge il circuito cortico-striatale Huntington attraverso un’azione stimolatoria sul pathway del BDNF. Gli esperimenti svolti in questa tesi hanno infine permesso di scoprire che la somministrazione di un inibitore chimico di ADAM10 previene la perdita di sinapsi cortico- striatali e i deficit neurocomportamentali in un modello murino di MH. I risultati ottenuti permettono, quindi, di concludere che l'inibizione farmacologica di ADAM10 in corteccia rappresenta un nuovo approccio terapeutico per la MH.