Onderzoek naar de lipidenregulerende functie van het DYT1 dystonie-eiwit, torsinA, in de neurale ontwikkeling.

Mutaties in TOR1A/TorsinA veroorzaken zeldzame en symptomatisch diverse neurologische aandoeningen. Dominante overerving van een 3bp deletie (Δgag) verwijdert één aminozuur (DE/+), wat leidt tot een gedeeltelijk penetrante en geïsoleerde dystonie, en dit zonder structurele problemen in de hersenen van de patiënten.  Anderzijds leidt recessieve TorsinA aandoening, veroorzaakt door verschillende mutaties met bi-allelische combinaties, tot een spectrum van neurologische defecten. Deze kunnen dodelijk zijn, en zijn geassocieerd met neurodegeneratie. In dit project onderzoeken we of gelijkaardige moleculaire mechanismen verklaring kunnen bieden inzake verschillende ziektes.

TorsinA werd eerst het gelinkt met fosfatidezuur (PA) lipide metabolisme in Drosophila melanogaster.  In dit project evalueren we hoe geconserveerd de lipide-regulerende functie van torsin is in zoogdieren. Hiervoor onderzoeken we de rol van PA fosfatase (PAP) enzymen in TOR1A ziektes met gebruik van neuronen verkregen via geïnduceerde pluripotente stamcellen van patiënten, en van muismodellen van de recessieve Tor1a aandoening. We vinden dat Lipin PAP enzymactiviteit abnormaal verhoogd is in cellen van DYT-TOR1A dystonie patiënten en in de hersenen van drie verschillende Tor1a muismodellen (-/- ; ΔE/ΔE; cKO/ΔE).

We gingen na wat de pathologische rol van een teveel aan Lipin enzymactiviteit in de neurologische dysfunctie van Tor1a muismodellen is, door deze te kruisen met Lpin1 knock-out muizen. Genetische reductie van Lipin1 verbeterde de overleving van muizen met de recessieve Tor1a mutatie, alsook onderdrukte dit de neurodegeneratie, de motorische dysfunctie en de nucleaire membraanpathologie. Deze data tonen aan dat pathologische TOR1A mutaties abnormaal PA-metabolisme veroorzaken.

Vervolgens onderzochten we of dysfunctie van Lipin enzymactiviteit ook voorkomt bij een gedeeltelijke TorsinA deletie, zoals het geval is in de ΔE/+ situatie. In tegenstelling tot de diermodellen van de recessieve aandoening die een gelijkende symptomatiek vertonen als de patienten, zijn dierenmodellen van de dominante DYT-TOR1A dystonie er nog niet in geslaagd dit op een consistente en repliceerbare manier te doen. Als gevolg maakt het gebrek aan fenotypes het bovendien buitengewoon moeilijk om de verminderde penetrantie van de ziekte te modelleren en te bestuderen.

Met deze data wordt nu aangetoond dat de ΔE/+ mutatie fenotypes veroorzaakt met verminderde penetrantie bij genetisch identieke muizen: lipide metabolisme is abnormaal in de hersenen van ~30% van de Tor1aΔE/+ embryo’s, en dit definieert welke dieren later in hun leven neurologische symptomen zullen vertonen. De variabiliteit is niet genetisch gecodeerd, maar het abnormaal lipide metabolisme komt enkel voor bij vrouwelijke ΔE/+ embryo’s en is beïnvloed door het dieet van de moeder. Het metabole defect verdwijnt tijdens de postnatale ontwikkeling, maar is nog steeds voldoende om in ~30% van de vrouwelijke Tor1aΔE/+ embryo’s tot dystonie-achtige symptomen te leiden.

Verder toont de data aan dat we symptomen voorkomen door het abnormale PA-metabolisme genetisch te onderdrukken. We concluderen dat ΔE/+ embryo’s metabolische stress incorrect bufferen en sommigen ervaren op hun beurt een periode van abnormaal lipide metabolisme wat de hersenen op latere leeftijd vatbaar maakt voor dystonie. Bovendien leidt het vrouwelijke geslacht tot een sterke predispositie van de ΔE/+ embryo’s voor metabole defecten, wat aantoont welk effect geslacht kan hebben op ziektemodelfenotypen.

Vandaar dat, ondanks het verschillende symptomatische aandoeningen zijn, TorsinA-ziekten worden veroorzaakt door variërende graden van TorsinA-verlies en van daaropvolgende verhoging van Lipin enzymactiviteit. Deze gegevens tonen ook aan dat hyperactiviteit van één enkele metabole lipide reactie voldoende is om complexe neurologische dysfunctie te veroorzaken. Ze herdefiniëren TorsinA-ziekten dan ook als aangeboren metabolische aandoeningen waarvoor remming van Lipin een reëel doelwit is voor geneesmiddelen ontwikkeling.