Ricerche

Scientists have uncovered a surprising mechanism by which a brain enzyme called OTULIN controls the expression of tau, the protein that forms toxic tangles in Alzheimer's disease. The findings, published today in Genomic Psychiatry, reveal that OTULIN functions not only as expected in protein degradation pathways but also plays a previously unknown role as a master regulator of gene expression and RNA metabolism.

The research team, led by Dr. Kiran Bhaskar at the University of New Mexico Health Sciences Center and Dr. Francesca-Fang Liao at the University of Tennessee Health Science Center, made the discovery while investigating how neurons clear abnormal tau aggregates. Their unexpected findings could open new therapeutic avenues for Alzheimer's disease and related dementias affecting millions worldwide.

"We set out to test whether stabilizing a specific type of ubiquitin chain would help clear toxic tau from neurons," explained Dr. Karthikeyan Tangavelou, the paper’s first author. "Instead, we discovered something completely unexpected – that OTULIN acts as a master switch controlling whether tau is even produced in the first place.”

The Revolutionary Discovery

The research team initially hypothesized that inhibiting OTULIN's enzyme activity would enhance tau clearance through cellular garbage disposal systems. However, when they completely knocked out the OTULIN gene in neurons, tau disappeared entirely – not because it was being degraded faster, but because it wasn't being made at all.

"This was a paradigm shift in our thinking," said Dr. Liao. "We found that OTULIN deficiency causes tau mRNA to vanish, along with massive changes in how the cell processes RNA and controls gene expression."

The study used neurons derived from a patient with late-onset sporadic Alzheimer's disease, which showed elevated levels of both OTULIN protein and phosphorylated tau compared to healthy control neurons. This correlation suggested OTULIN might be contributing to disease progression.

Key Findings

The research revealed several crucial insights:

First, when OTULIN was completely removed from neuroblastoma cells, comprehensive RNA sequencing showed dramatic changes in gene expression – 13,341 genes were downregulated and 774 were upregulated, with even more dramatic effects on RNA transcripts (43,003 downregulated, 1,113 upregulated). Comparing Alzheimer's patient neurons to healthy controls revealed over 4,500 genes and 5,600 transcripts were differentially expressed.

Second, pharmacological inhibition of OTULIN's enzymatic activity with a novel small molecule inhibitor (UC495) reduced phosphorylated tau levels in Alzheimer's disease neurons, suggesting potential therapeutic benefit without complete gene elimination.

Third, the absence of OTULIN upregulated numerous genes associated with RNA degradation and stability regulation, including components of the CCR4-NOT complex and various RNA-binding proteins implicated in neurodegenerative diseases.

Fourth, bulk RNA sequencing of Alzheimer's neurons revealed significant downregulation of OTULIN long noncoding RNA alongside decreased expression of melanoma antigen gene (MAGE) family members, which activate ubiquitin ligases involved in protein quality control.

Clinical Implications

These findings have profound implications for treating tauopathies, a group of more than 20 neurodegenerative diseases characterized by toxic tau accumulation.

"OTULIN could serve as a novel drug target, but our findings suggest we need to modulate its activity carefully rather than eliminate it completely," Dr. Bhaskar noted. "Complete loss causes widespread changes in cellular RNA metabolism that could have unintended consequences."

The research demonstrated that partial inhibition with UC495 reduced pathological tau forms without eliminating total tau or causing apparent toxicity to neurons. This suggests a therapeutic window exists where OTULIN activity could be tuned to beneficial levels.

The team also discovered that OTULIN deficiency prevents the development of autoinflammation in neurons by downregulating inflammatory pathway components, providing additional insight into how cells balance protein quality control with inflammatory responses.

Broader Impact on RNA Biology

Beyond Alzheimer's disease, the findings illuminate fundamental mechanisms of RNA metabolism regulation in neurons. The researchers identified upregulation of transcriptional repressors like YY1 and SP3 in OTULIN-deficient cells, along with changes in RNA-binding ubiquitin ligases RC3H2 and MEX3C that control mRNA stability.

"We're essentially looking at a previously unknown checkpoint in gene expression," explained Dr. Liao. "OTULIN appears to influence which genes get expressed and how long their RNA messages survive in cells."

The study also revealed connections between OTULIN and multiple neurodegenerative disease-associated RNA-binding proteins, including TDP-43, FMR1, ATXN2, and MSI1, suggesting broader implications for understanding various brain disorders.

Research Methodology

The team used cutting-edge techniques including CRISPR-Cas9 gene editing, induced pluripotent stem cell-derived neurons from Alzheimer's patients and healthy controls, comprehensive bulk RNA sequencing, and computational drug design to identify the OTULIN inhibitor UC495.

They validated their findings across multiple cell types, including patient-derived neurons and human neuroblastoma cells, ensuring reproducibility and relevance to human disease.

Next Steps

The researchers are now working to understand precisely how OTULIN influences gene expression and RNA metabolism at the molecular level. They're also testing whether carefully calibrated OTULIN inhibition can reduce tau pathology in animal models of Alzheimer's disease.

"This discovery opens up an entirely new research direction," said Dr. Bhaskar. "We need to determine whether targeting OTULIN therapeutically can safely reduce tau accumulation without disrupting essential cellular functions."

The team is also investigating why OTULIN long noncoding RNA is reduced in Alzheimer's neurons and whether restoring its levels could normalize OTULIN protein expression and tau pathology.

Degli scienziati hanno scoperto un meccanismo sorprendente mediante il quale un enzima cerebrale chiamato OTULIN controlla l'espressione della tau, la proteina che forma grovigli tossici nel morbo di Alzheimer (MA). I risultati, pubblicati su Genomic Psychiatry, rivelano che OTULIN funziona non solo come previsto nei percorsi di degradazione delle proteine, ma ha anche un ruolo finora sconosciuto come regolatore principale dell’espressione genica e del metabolismo dell’RNA.

Il gruppo di ricerca, guidato dal dottor Kiran Bhaskar dell’Università del New Mexico e dalla dott.ssa Francesca-Fang Liao dell’Università del Tennessee, ha fatto la scoperta mentre studiava come i neuroni eliminano gli aggregati tau anomali. Le loro inaspettate scoperte potrebbero aprire nuove strade terapeutiche per il MA e le demenze correlate che colpiscono milioni di persone in tutto il mondo.

"Ci eravamo proposti di verificare se la stabilizzazione di un tipo specifico di catena dell'ubiquitina può aiutare a eliminare la tau tossica dai neuroni", ha spiegato il dott. Karthikeyan Tangavelou, il primo autore dello studio. "Invece, abbiamo scoperto qualcosa di completamente inaspettato: che OTULIN agisce come un interruttore principale che controlla innanzitutto la produzione della tau".

La scoperta rivoluzionaria

Il gruppo di ricerca inizialmente aveva ipotizzato che l'inibizione dell'attività enzimatica di OTULIN avrebbe migliorato l'eliminazione della tau attraverso i sistemi di smaltimento dei rifiuti cellulari. Tuttavia, quando hanno eliminato completamente il gene OTULIN nei neuroni, la tau è scomparsa del tutto, non perché venisse degradata più velocemente, ma perché non veniva affatto prodotta. 

"Questo è stato un cambiamento di paradigma nel nostro modo di pensare", ha affermato la dott.ssa Liao. "Abbiamo scoperto che la carenza di OTULIN provoca la scomparsa dell'mRNA tau, insieme a enormi cambiamenti nel modo in cui la cellula elabora l'RNA e controlla l'espressione genetica".

Lo studio ha usato neuroni derivati ​​da un paziente con MA sporadico a esordio tardivo, che mostrava livelli più elevati sia di proteina OTULIN che di tau fosforilata rispetto ai neuroni di controllo sani. Questa correlazione ha suggerito che OTULIN potrebbe contribuire alla progressione della malattia.

Risultati chiave

La ricerca ha rivelato diverse informazioni cruciali:

1. Quando OTULIN è stato completamente rimosso dalle cellule di neuroblastoma, il sequenziamento completo dell’RNA ha mostrato cambiamenti drastici nell’espressione genetica: 13.341 geni erano sottoregolati e 774 sovraregolati, con effetti ancora più drastici sulle trascrizioni dell’RNA (43.003 sottoregolati, 1.113 sovraregolati). Confrontando i neuroni dei pazienti affetti da MA con i controlli sani sono emersi oltre 4.500 geni e 5.600 trascrizioni espresse in modo differenziale.
   
   
2. L'inibizione farmacologica dell'attività enzimatica di OTULIN con un nuovo inibitore di piccole molecole (UC495) ha ridotto i livelli di tau fosforilata nei neuroni del MA, suggerendo un potenziale beneficio terapeutico senza la completa eliminazione del gene.
   
   
3. L'assenza di OTULIN ha sovraregolato numerosi geni associati alla degradazione dell’RNA e alla regolazione della stabilità, inclusi componenti del complesso CCR4-NOT e varie proteine ​​leganti l’RNA implicate nelle malattie neurodegenerative.
   
   
4. Il sequenziamento dell'RNA in massa dei neuroni del MA ha rivelato una significativa sottoregolazione dell'RNA lungo non codificante di OTULIN, insieme a una ridotta espressione dei membri della famiglia del gene dell'antigene del melanoma (MAGE, melanoma antigen gene), che attivano l'ubiquitina ligasi coinvolta nel controllo di qualità delle proteine.

Implicazioni cliniche

Questi risultati hanno profonde implicazioni per il trattamento delle tauopatie, un gruppo di oltre 20 malattie neurodegenerative caratterizzate dall’accumulo di tau tossico.

"OTULIN potrebbe essere un nuovo bersaglio farmacologico, ma i nostri risultati suggeriscono che dobbiamo modulare attentamente la sua attività piuttosto che eliminarla completamente", ha osservato il dott. Bhaskar. "La perdita completa provoca cambiamenti diffusi nel metabolismo dell'RNA cellulare che potrebbero avere conseguenze indesiderate".

La ricerca ha dimostrato che l'inibizione parziale con UC495 riduceva le forme patologiche di tau senza eliminare la tau totale o causare apparente tossicità ai neuroni. Ciò suggerisce che esiste una finestra terapeutica in cui l’attività di OTULIN potrebbe essere sintonizzata su livelli benefici. Il team ha inoltre scoperto che la carenza di OTULIN impedisce lo sviluppo dell’autoinfiammazione nei neuroni, sottoregolando i componenti del percorso infiammatorio, fornendo ulteriori informazioni su come le cellule bilanciano il controllo di qualità delle proteine ​​con le risposte infiammatorie.

Impatto più ampio sulla biologia dell’RNA

Oltre al MA, i risultati illuminano i meccanismi fondamentali della regolazione del metabolismo dell'RNA nei neuroni. I ricercatori hanno identificato una sovraregolazione dei repressori trascrizionali come YY1 e SP3 nelle cellule carenti di OTULIN, insieme a cambiamenti nelle ligasi ubiquitina RC3H2 e MEX3C che legano l'RNA e controllano la stabilità dell'mRNA.

"Stiamo essenzialmente osservando un punto di controllo precedentemente sconosciuto nell'espressione genetica", ha spiegato la dott.ssa Liao. "OTULIN sembra influenzare quali geni vengono espressi e quanto tempo sopravvivono nelle cellule i loro messaggi RNA".

Lo studio ha anche rivelato connessioni tra OTULIN e molteplici proteine ​​leganti l’RNA associate a malattie neurodegenerative, tra cui TDP-43, FMR1, ATXN2 e MSI1, suggerendo implicazioni più ampie per la comprensione di vari disturbi cerebrali.

Metodologia di ricerca

Il team ha impiegato tecniche all'avanguardia tra cui l'editing genetico CRISPR-Cas9, l'induzione di neuroni pluripotenti derivati da cellule staminali di pazienti con MA e controlli sani, il sequenziamento completo dell'RNA in massa e la progettazione computazionale di farmaci per identificare UC495, l'inibitore OTULIN. Hanno convalidato le loro scoperte su più tipi di cellule, compresi i neuroni derivati ​​dai pazienti e le cellule di neuroblastoma umano, garantendo riproducibilità e rilevanza per le malattie umane.

Prossimi passi

I ricercatori stanno ora lavorando per capire esattamente come OTULIN influenza l’espressione genetica e il metabolismo dell’RNA a livello molecolare. Stanno anche testando se l'inibizione attentamente calibrata di OTULIN può ridurre la patologia tau in modelli animali di MA.

"Questa scoperta apre una direzione di ricerca completamente nuova", ha affermato il dottor Bhaskar. "Dobbiamo determinare se puntare OTULIN a livello terapeutico può ridurre in modo sicuro l'accumulo di tau senza interrompere le funzioni cellulari essenziali".

Il team sta anche studiando il motivo per cui l'RNA lungo non codificante di OTULIN è ridotto nei neuroni del MA e se il ripristino dei suoi livelli potrebbe normalizzare l'espressione della proteina OTULIN e la patologia tau.