Molecular Phenotyping of Cortical Cell Types in ALS-Related Neurodegeneration
ALS 相关神经变性中皮质细胞类型的分子表型
基本信息
- 批准号:10745149
- 负责人:
- 金额:$ 42.38万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2023
- 资助国家:美国
- 起止时间:2023-06-01 至 2027-05-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:ALS pathologyALS patientsAddressAffinity ChromatographyAnatomyAnimal ModelAntioxidantsAutopsyBiochemicalBiochemistryBioenergeticsBrain StemCandidate Disease GeneCell NucleusCell SeparationCellsCerebral cortexClinicalCorticospinal TractsDataDiagnosisDiseaseDisease ProgressionEngineeringEtiologyFluorescenceFunctional disorderGene ExpressionGene Expression ProfilingGene Expression RegulationGenesGoalsGrantInnovative TherapyInterventionLabelLinkMapsMeasuresMetabolicMitochondriaModelingMolecularMolecular ProfilingMotor CortexMotor Neuron DiseaseMotor NeuronsMusMutationNerve DegenerationNervous SystemNeuronsNuclearOnset of illnessOxidative PhosphorylationOxidative StressPathologic ProcessesPathologyPathway interactionsPatientsPontine structurePopulationPre-Clinical ModelPredispositionPropertyProteinsProteomicsPyramidal CellsPyramidal TractsRNA-Binding Protein FUSResearchRestRibosomesRoleSortingSpinal CordSymptomsTechniquesTestingThalamic structureTissuesTranscriptTransgenic MiceTranslatingUp-RegulationViralViral VectorVulnerable PopulationsWorkbiological adaptation to stressbiomarker identificationcandidate identificationcell cortexcell typecellular resiliencecomparativecomplex IVdisease-causing mutationend stage diseasegain of functionhuman tissueinnovationloss of functionmetabolomicsmolecular phenotypemultiple omicsneuropathologynew therapeutic targetnovelnovel markerpre-clinicalpreclinical studyprogramsresilienceresponsetranslational framework
项目摘要
The combined degeneration of both “lower” motor neurons in the brainstem and spinal cord and “upper”
motor neurons (UMNs) in the cerebral cortex is an important hallmark of ALS. Almost all cases of ALS are
eventually fatal, and the rapid progression of the disease makes it particularly terrible, with over 80% of
patients dying within five years of diagnosis. No cure exists for ALS and the only available treatments slow
disease progression by merely a few months. Therefore, a great need exists for more effective and specific
therapies that can stop or even reverse neurodegeneration. Innovation for such therapies will only arise from a
better understanding of the molecular mechanisms underlying the pathological process, especially since most
genes linked to ALS are ubiquitously expressed yet only specific populations of cells degenerate.
Understanding why certain cells are uniquely vulnerable and mapping cell type specific pathways that are
dysregulated during disease are crucial milestones. This has posed a considerable challenge for the spinal
cord projecting UMNs since they are difficult to distinguish from other pyramidal cell types and are therefore
often overlooked in preclinical studies. Because of this, the basis for their selective vulnerability to ALS-causing
mutations has remained a mystery.
The proposed study aims to overcome this by building on recent work that identified two highly similar
yet molecularly distinct subpopulations of projection neurons in layer 5b of motor cortex, where UMNs reside.
These populations have overlapping projections to pons, but non-overlapping projections to the spinal cord or
thalamus. Examining these cells in preclinical models of ALS revealed that the corticospinal projecting neurons
(CSTNs) were vulnerable to degeneration, while the corticopontine-only population (CPN) did not degenerate.
The selective vulnerability of the CSTNs was likely due to dysregulation of mitochondrial function since a
dramatic upregulation of genes related to oxidative phosphorylation and mitophagy was observed at
symptomatic stages of disease. Aim 1 of this grant will employ an integrative multi-omics approach to address
whether differences in the properties of mitochondria between CSTNs and CPNs drive differential responses to
disease using a novel, viral-based strategy to isolate cell type specific mitochondria during disease progression
in two preclinical ALS models, SOD1G93A and FUSP525L. Aim 2 focuses on dissecting the cellular role of
identified candidate genes that are enriched in CSTNs and cell type-specific bioenergetic pathways, linking
them to mitochondrial function and disease vulnerability. To increase the translational significance of this work,
Aim 3 will leverage novel markers for CSTNs and CPNs for a detailed anatomical analysis of postmortem
tissue from ALS patients to perform transcriptional profiling on cell type specific nuclei isolated by fluorescence
activated nuclear sorting (FANS) from postmortem patient tissue. Results from this study will yield novel
mechanisms underlying selective vulnerability of UMNs in ALS.
脑干和脊髓中的“下”运动神经元和“上”运动神经元的联合变性
大脑皮层的运动神经元 (UMN) 是 ALS 的重要标志,几乎所有 ALS 病例都是如此。
最终致命,而且疾病的快速进展使其变得尤为可怕,超过80%
患者在诊断后五年内死亡,目前尚无治愈 ALS 的方法,唯一可用的治疗方法缓慢。
因此,非常需要更有效和特异性的治疗。
能够阻止甚至逆转神经退行性变的疗法只能来自于创新。
更好地了解病理过程背后的分子机制,特别是因为大多数
与 ALS 相关的基因普遍表达,但只有特定的细胞群会退化。
了解为什么某些细胞特别脆弱,并绘制细胞类型特定的途径
疾病期间的失调是重要的里程碑,这对脊髓提出了相当大的挑战。
脐带突出 UMN,因为它们很难与其他锥体细胞类型区分开,因此
因此,它们在临床前研究中经常被忽视,这是导致 ALS 的选择性脆弱性的基础。
突变仍然是一个谜。
拟议的研究旨在通过最近的工作来克服这个问题,该工作确定了两个高度相似的
然而,UMN 所在的运动皮层 5b 层中的投射神经元亚群在分子上却截然不同。
这些人群对脑桥有重叠的投影,但对脊髓或脊髓的投影不重叠
在 ALS 临床前模型中检查这些细胞发现,皮质脊髓投射神经元
(CSTN)很容易退化,而仅皮质桥蛋白群体(CPN)则不会退化。
CSTN 的选择性脆弱性可能是由于自线粒体功能失调以来
观察到与氧化磷酸化和线粒体自噬相关的基因急剧上调
该赠款的目标 1 将采用综合多组学方法来解决疾病的症状阶段。
CSTN 和 CPN 之间线粒体特性的差异是否会导致不同的反应
使用基于病毒的新型策略在疾病进展过程中分离细胞类型特异性线粒体
在两个临床前 ALS 模型 SOD1G93A 和 FUSP525L 中,Aim 2 重点剖析 ALS 的细胞作用。
确定了富含 CSTN 和细胞类型特异性生物能途径的候选基因,将
它们对线粒体功能和疾病脆弱性的影响增加了这项工作的转化意义,
目标 3 将利用 CSTN 和 CPN 的新型标记物对尸检进行详细的解剖分析
来自 ALS 患者的组织,对通过荧光分离的细胞类型特异性细胞核进行转录分析
这项研究的结果将产生新颖的结果。
ALS 中 UMN 选择性脆弱性的机制。
项目成果
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