Modulation of bromo- and extra-terminal domain (BET) proteins attenuates cell dyshomeostasis in experimental paradigms of neurodevelopmental and neurodegenerative disorders

Bromodomain and Extra-Terminal domain (BET) proteins are emerging as potential therapeutic targets of the CNS due to their implication in controlling redox homeostasis, autophagy and neuroinflammation. These epigenetic readers recognize acetylated lysine and modulate gene expression, contributing to proper brain development and function. Alterations in their homeostasis have been associated with complex brain diseases, including neurodegenerative and neurodevelopmental disorders. Nevertheless, the putative involvement of BET proteins in specific pathophysiologic contexts of the brain, such as Parkinson's disease (PD) and Rett syndrome (RTT), is still unexplored. PD is one of the most common neurodegenerative diseases, characterized by the progressive loss of dopaminergic neurons in the Substantia Nigra pars compacta (SNpc), resulting in motor decline. Despite its multifactorial etiology, the pathology presents key shared features, including α-synuclein inclusions, mitochondrial dysfunction, oxidative stress, and autophagy alterations. Differently, RTT is a severe neurodevelopmental disorder primarily affecting females, leading to cognitive and physical disabilities. The research of this PhD thesis was aimed at evaluating whether pharmacological BET inhibition could reverse the pathologic changes in cell culture models of PD and RTT. The main results revealed that the expression of BRD2 and BRD3 was exaggerated in the rotenone-induced SH-SY5Y cell model of PD, suggesting the putative involvement of these epigenetic regulators in neurodegenerative events. Interestingly JQ1, a selective BET inhibitor, significantly mitigated cell death, redox imbalance and morphological alterations. JQ1 also attenuated α-synuclein accumulation and counteracted rotenone-induced autophagic alterations. With regard to RTT, it was demonstrated that the aberrant expression of BRD3 and BRD4 was associated with profound alterations in cholesterol metabolism and redox balance in cultured fibroblasts derived from RTT individuals. Pharmacological BET inhibition by JQ1 contrasted cholesterol alterations, concurrently attenuating oxidative stress through the modulation of pro- and anti-oxidant systems. The data presented here highlight the role of BET proteins in brain physiopathology, suggesting that their modulation may represent an innovative therapeutic strategy for neurodegenerative and neurodevelopmental disorders. However, further investigations will be necessary to clarify the potential clinical impact of these molecules and to open new perspectives to counteract dopaminergic degeneration of PD and cellular dyshomeostasis of RTT.

Le proteine contenenti il bromodominio e il dominio extra-terminale (BET) stanno emergendo come potenziali bersagli terapeutici del SNC a causa della loro implicazione nel controllo dell'omeostasi redox, dell'autofagia e della neuroinfiammazione. Questi lettori epigenetici riconoscono la lisina acetilata e modulano l'espressione genica, contribuendo al corretto sviluppo e funzionamento del cervello. Alterazioni dell’omeostasi delle proteine BET sono state associate a complesse malattie cerebrali, tra cui disturbi neurodegenerativi e del neurosviluppo. Tuttavia, il presunto coinvolgimento delle proteine BET in specifici contesti fisiopatologici del cervello, come il morbo di Parkinson (PD) e la sindrome di Rett (RTT), è ancora inesplorato. Il PD è una delle malattie neurodegenerative più comuni, caratterizzata dalla progressiva perdita di neuroni dopaminergici nella Substantia Nigra pars compacta (SNpc), con conseguente declino motorio. Nonostante la sua eziologia multifattoriale, la patologia presenta caratteristiche comuni chiave, tra cui inclusioni di α-sinucleina, disfunzione mitocondriale, stress ossidativo e alterazioni dell'autofagia. Diversamente, la RTT è un grave disturbo del neurosvilippo che colpisce principalmente le femmine, portando a disabilità cognitive e fisiche. La ricerca di questa tesi di dottorato è stata finalizzata a valutare se l'inibizione farmacologica delle proteine BET potesse contrastare i cambiamenti patologici in modelli di coltura cellulare di PD e RTT. I risultati principali hanno messo in luce che l'espressione di BRD2 e BRD3 era sostenuta nel modello cellulare di PD indotto dal rotenone, suggerendo il presunto coinvolgimento di questi regolatori epigenetici negli eventi neurodegenerativi. È interessante notare che JQ1, un inibitore selettivo delle proteine BET, ha mitigato significativamente la morte cellulare, lo squilibrio redox e le alterazioni morfologiche. JQ1 ha anche attenuato l'accumulo di α-sinucleina e contrastato le alterazioni autofagiche indotte dal rotenone. Per quanto riguarda la RTT, è stato dimostrato che l'espressione aberrante di BRD3 e BRD4 era associata a profonde alterazioni nel metabolismo del colesterolo e nell'equilibrio redox nei fibroblasti derivati da donatrici affette da RTT. L'inibizione farmacologica di BET da parte di JQ1 ha contrastato le alterazioni del colesterolo, attenuando contemporaneamente lo stress ossidativo attraverso la modulazione dei sistemi pro- e anti-ossidanti. I dati qui presentati evidenziano il ruolo delle proteine BET nella fisiopatologia cerebrale, suggerendo che la loro modulazione può rappresentare una strategia terapeutica innovativa per i disturbi neurodegenerativi e del neurosviluppo. Tuttavia, saranno necessarie ulteriori indagini per chiarire il potenziale impatto clinico di queste molecole e per aprire nuove prospettive per contrastare la degenerazione dopaminergica del PD e la perdita omeostatica cellulare della RTT.