Oxidative stress in Huntington disease and protection by the hMTH1 hydrolase

Abstract

Several human neurodegenerative disorders, including Huntington’s disease (HD), are characterized by the accumulation of 8−oxo−7,8−dihydroguanine (8−oxodG) in the DNA of affected neurons. This can occur either through direct oxidation of DNA guanine or via incorporation of the oxidized nucleotide during replication. Hydrolases that degrade oxidized purine nucleoside triphosphates normally minimize this incorporation. hMTH1 is the major human hydrolase, which degrades both 8−oxodGTP and 8−oxoGTP to the corresponding monophosphates. HD is an autosomal dominant neurodegenerative disease in which there is high level of oxidative DNA lesions. Although the mechanisms by which the gene defect responsible for HD leads to neuronal degeneration remains incompletely understood, the involvement of oxidative stress is well established. The aim of this study is to clarify the relationship between oxidative stress and neurodegeneration occurring in HD. To investigate whether the incorporation of oxidized nucleic acid precursors contributes to neurodegeneration occurring in HD, we constructed a transgenic mouse in which the human hMTH1 8−oxodGTPase is expressed. In this mouse an HDlike striatal neurodegeneration can be induced by treatment with 3- nitropropionic acid (3-NP). This is an irreversible inhibitor of succinate dehydrogenase that leads to mitochondrial dysfunction and formation of striatal lesions. Wild-type (wt) mice exposed to 3-NP acid develop neuropathological and behavioural symptoms that resemble those of HD. hMTH1 transgene expression conferred a dramatic protection against these HD-like symptoms, including weight loss, dystonia and gait abnormalities, striatal degeneration, and death. To further characterize the mechanism underlying the neuroprotective role of hMTH1, we examined the effect of hMTH1 in a genetic model of HD. This is based on SV40 large T antigenimmortalized progenitor striatal cells from mutant knock-in mice expressing the expanded CAG repeats in the huntingtin (htt) gene (Hdh Q111). The hMTH1 cDNA was transfected into Hdh Q111 cells as well as in their normal counterparts containing a wt CAG repeat (HdhQ7). The protective role of hMTH1 against oxidative stress was investigated in these cell lines. In proliferating cell cultures hMTH1 provided a strong protection against the selective vulnerability of mutant htt-expressing cells following treatment with the mitochondrial toxin 3-NP or H2O2-induced oxidative DNA damage. hMTH1 expression provided a safeguard effect also in this in vitro settings suggesting that oxidized triphosphates play a major role in both killing mechanisms. This indicates that the oxidative DNA damage modulated by hMTH1 can be causative for HD-like disease in the chemical model for HD (3-NP model) and may affect some phenotypic manifestations of the disease in the genetic model of HD.

Molte malattie neurodegenerative umane sono caratterizzate dall’accumulo di danno ossidativo nel DNA (8-oxo-7,8- dihydroguanine) dei neuroni colpiti. Ciò può avvenire sia attraverso l'ossidazione diretta della guanina nel DNA che tramite l'incorporazione di nucleotidi ossidati durante la replicazione. hMTH1 è una delle principali idrolasi umane che degrada i trifosfati ossidati (8-oxo-dGTP e 8-oxo-GTP) convertendoli nei rispettivi monofosfati e minimizzando così la loro incorporazione nel DNA/RNA. La Corea di Huntington (HD) è una malattia neurodegenerativa autosomica dominante in cui è stato riscontrata la presenza di un alto livello di DNA ossidato. Sebbene lo studio dei meccanismi attraverso i quali i difetti nel gene responsabile per HD portano a neurodegenerazione rimane incompleto, il coinvolgimento dello stress ossidativo è ormai chiaro. L'obiettivo di questo studio è quello di chiarire il rapporto tra stress ossidativo e neurodegenerazione che si verificano in HD. Per verificare se l'incorporazione di precursori ossidati degli acidi nucleici contribuisca alla neurodegenerazione è stato costruito un topo transgenico, in cui è stata espressa la proteina hMTH1 8-oxodGTPasi umana. In questo topo la neurodegenerazione striatale tipica di HD è stata indotta dal trattamento chimico con l’acido 3-nitropropionico (3-NP), un inibitore irreversibile della succinato deidrogenasi, che porta a disfunzione mitocondriale e alla formazione di lesioni striatali. I topi wild-type (wt) esposti al 3-NP sviluppano sintomi simili a quelli di HD. L’espressione di hMTH1 porta ad una forte protezione nei confronti di questi sintomi simil-HD, compresa la perdita di peso, la distonia e l’andatura anormale, la degenerazione striatale e la morte. Per caratterizzare ulteriormente il meccanismo alla base del ruolo neuroprotettivo di hMTH1, abbiamo esaminato l'effetto di hMTH1 anche in un modello genetico di HD. Come modello abbiamo usato due linee di progenitori neuronali striatali, immortalizzate con un mutante temperatura sensibile di SV40 large T-antigen, derivate dal topo knock-in per il gene dell’huntintina (htt) e contenenti 111 ripetizioni della tripletta CAG (Hdh Q111), e da un topo wild-type con 7 ripetizioni CAG (HdhQ7). Queste linee sono state trasfettate con il cDNA di hMTH1 ed il ruolo protettivo di hMTH1 nei confronti dell’effetto citotossico associato ad uno stress ossidativo è stato studiato dopo esposizione delle cellule ad alcuni agenti ossidanti. L’effetto protettivo di hMTH1 è risultato molto evidente dopo trattamento sia con 3-NP, una tossina specifica mitocondriale che con un agente ossidante generico come l’H2O2. Per verificare il meccanismo alla base di questa protezione abbiamo misurato i livelli di ossidazione, sia basali che dopo trattamento, nel DNA genomico e nel DNA mitocondriale. Simili esperimenti sono stati condotti anche in vivo con trattamento degli animali transgenici e wt con 3-NP ed analisi dei livelli di ossidazione in vari organi. L’effetto protettivo di hMTH1 osservato sia a livello dei nuclei che dei mitocondri suggerisce che i trifosfati ossidati giocano un ruolo cruciale nei meccanismi di morte indotti da agenti ossidanti in ambedue i comparti cellulari