Promoting induced or spontaneous neuronal regeneration in the adult brain

La malattia di Parkinson (PD) è il secondo disturbo neurodegenerativo più comune caratterizzato dalla perdita di neuroni dopaminergici nella substantia nigra pars compacta (SNpc). I trattamenti attualmente disponibili alleviano temporaneamente i sintomi ma non rappresentano una soluzione duratura oltre a indurre alcuni gravi effetti collaterali. La conversione di cellule non neuronali in neuroni indotti in situ rappresenta una terapia promettente per lesioni cerebrali e disturbi neurodegenerativi. La seguente tesi mira a comprendere meglio quali caratteristiche delle cellule riceventi e dell'ambiente locale influenzano il processo di riprogrammazione neuronale diretta. A questo scopo, abbiamo esaminato la capacità di ASCL1 di convertire gli astrociti di topo in neuroni in vitro e in vivo. Questo potente fattore di trascrizione, che è stato in grado di convertire gli astrociti primari in neuroni maturi di identità GABAergica sulla parabola, è stato successivamente utilizzato per valutare la sua capacità di conversione in vivo. Utilizzando Aldh1l1-CreERT2/Ai9 postnatale (P2) e topi adulti, insieme a un LV rigoroso che esprime ASCL1, abbiamo ottenuto una riprogrammazione altamente efficiente da astrociti a neurone di astrociti striatali di topo sia immaturi che maturi. Questi neuroni di nuova formazione sono stati principalmente convertiti in cellule simili a MSN, esprimendo un'ampia gamma di marcatori caratteristici di MSN. Tuttavia, la riprogrammazione diretta non rappresenterebbe un approccio modificante la malattia. L'assenza di buoni biomarcatori e la lunga fase presintomatica del disturbo rendono molto difficile prevenire lo sviluppo della neurodegenerazione. In questo progetto, abbiamo mirato a comprendere i meccanismi alla base di questo stadio della malattia esplorando se i neuroni dopaminergici risparmiati subiscono un rimodellamento assonale per compensare la perdita neuronale. Per esaminare questa possibilità, abbiamo denervato localmente lo striato dorsale dei topi con iniezioni di 6-OHDA. A livelli moderati di perdita neuronale, è stato osservato un processo di reinnervazione dello striato dipendente dal tempo. Per identificare l'origine di queste nuove proiezioni, sono stati utilizzati due tipi di metodi di segnalazione, un AAV geneticamente inducibile per un fluoroforo e perline fluorescenti retrograde. Entrambi i sistemi hanno sollevato la possibilità che i neuroni dopaminergici VTA potessero essere implicati in questo evento rigenerante, una scoperta inaspettata dato che questi neuroni sono anatomicamente e funzionalmente diversi da quelli dell'SNpc. Per studiare ulteriormente questo evento in diversi livelli di perdita neuronale, abbiamo sviluppato un metodo neurodegenerativo geneticamente inducibile che potrebbe sostituire 6-OHDA in esperimenti futuri. L'identificazione dei fattori che inducono i neuroni dopaminergici a diventare plastici potrebbe rappresentare un modo per sostenere la segnalazione della dopamina e ritardare la progressione della malattia nelle prime fasi della malattia.

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder characterised by the loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc). Currently available treatments alleviate the symptoms temporarily but do not represent a lasting solution besides inducing some severe side effects. Conversion of non-neuronal cells into induced neurons in situ represents a promising therapy for brain injuries and neurodegenerative disorders. The following thesis aims to better understand which characteristics of the recipient cells and the local environment affect the process of direct neuronal reprogramming. For this purpose, we examined the capacity of ASCL1 to convert mouse astrocytes into neurons in vitro and in vivo. This potent transcription factor, which was able to convert primary astrocytes into mature neurons of GABAergic-like identity on the dish, was later used to assess its capacity of conversion in vivo. Using Aldh1l1-CreERT2/Ai9 early-postnatal (P2) and adult mice, together with a stringent LV expressing ASCL1, we obtained a highly efficient astrocyte-to-neuron reprogramming of both immature and mature mouse striatal astrocytes. These newly formed neurons were mainly converted into MSN- like cells, expressing a broad range of MSN characteristic markers. Nonetheless, direct reprogramming would not represent a disease-modifying approach. The absence of good biomarkers and the long presymptomatic phase of the disorder make it very difficult to prevent the development of neurodegeneration. In this project, we aimed to shed some light on the mechanisms underlying this stage of the disease by exploring if spared dopaminergic neurons undergo axonal remodelling to compensate for the neuronal loss. In order to examine this possibility, we locally denervated the dorsal striatum of mice with 6-OHDA injections. At moderate levels of neuronal loss, a time-dependent reinnervation process of the striatum was observed. To identify the origin of these new projections, two types of signalling methods were used, a genetically inducible AAV encoding for a fluorophore and retrograde fluorescent beads. Both systems raised the possibility that VTA dopaminergic neurons could be implicated in this regenerating event, an unexpected finding given that these neurons are anatomically and functionally different from the ones in the SNpc. To further investigate this event in different levels of neuronal loss, we developed a genetically inducible neurodegenerative method which could substitute 6-OHDA in future experiments. Identifying the factors that induce dopaminergic neurons to become plastic could represent a way to sustain dopamine signalling and delay disease progression at the early stages of the disease.