The Role of The Immune System in Polyglutamine Diseases: immunogenicity prediction of ataxin-3 and its cleavage fragments

Abstract

A doença de Machado Joseph (MJD), também conhecida como ataxia espinocerebelar tipo 3 (SCA3), pertence a um grupo de nove doenças neurodegenerativas hereditárias, causadas pela expansão de repetições CAG que codificam tratos de poliglutaminas (PolyQ), denominadas doenças de PolyQ. O aparecimento da MJD pode variar de 4 a 75 anos e a patogénese da doença resulta em sintomas clínicos, sendo caracterizada principalmente por ataxia progressiva, que geralmente é o primeiro sintoma relatado. Atualmente, não existe tratamento capaz de curar ou retardar a progressão da doença.A clivagem proteolítica da proteína PolyQ mutante, resulta na formação de fragmentos que contêm as PolyQ e que geram mais toxicidade do que na proteína intacta de comprimento total. Esta clivagem de proteínas nas doenças PolyQ foi proposta como um evento chave na patogénese molecular, o que originou a hipótese dos fragmentos tóxicos.Estudos recentes mostram que o sistema imunitário adaptativo influencia a progressão de várias doenças neurodegenerativas, ativando vias inflamatórias e contribuindo para a neurodegeneração. No entanto, as evidências sobre o papel do sistema imunitário em doenças PolyQ são limitadas.Assim, o objetivo principal deste estudo foi realizar uma análise in silico da imunogenicidade da ATXN3 wild-type e mutante, e os fragmentos derivados da sua clivagem, para realizar estudos in vitro/in vivo de forma a compreender o papel do sistema imunitário adaptativo na MJD.Este estudo foi realizado com o auxílio de três ferramentas bioinformáticas, a TepiTool para prever a afinidade de ligação entre a ATXN3 e as moléculas MHC. A ferramenta de previsão de imunogenicidade de células T CD4 (CD4 T Cell Imunogenicity Prediction Tool) para identificar péptidos que pudessem ser imunogénicos. E a iProt-Sub para identificar proteases e encontrar potenciais locais de clivagem da ATXN3.Embora a ATXN3 não pareça ser altamente imunogénica, fomos capazes de identificar potenciais locais de clivagem que levam à formação de 23 fragmentos que podem ser imunogénicos e causar a toxicidade dos fragmentos. Concluindo, fomos capazes de identificar potenciais péptidos derivados da ATXN3, para a realização de estudos in vitro de forma a conseguir compreender qual o papel do sistema imunitário na MJD.

Machado Joseph Disease (MJD), also known as Spinocerebellar Ataxia Type 3 (SCA3), belongs to a group of nine inherited neurodegenerative disorders caused by expansions of CAG repeats encoding polyglutamine (PolyQ) tracts, named PolyQ diseases. MJD age of onset varies from 4 to 75 years of age and the pathogenesis of the disease results in clinical symptoms, mainly progressive ataxia which is usually the first reported symptom. There is no treatment able to stop or delay disease progression. The proteolytic cleavage of the mutant ATXN3 protein results in the generation of PolyQ containing fragments that has been suggested as having a greater toxicity than the intact full-length protein. Proteolytic cleavage of proteins in PolyQ diseases has been proposed as a key event in the molecular pathogenesis, this is called the toxic fragment hypothesis Recent studies shown that adaptive immune system influence the progression of several neurodegenerative diseases, activating inflammatory pathways and contribute to neurodegeneration. However, evidence regarding the role of adaptive immune system in PolyQ diseases is limited. Thus, the main aim of this study was to perform an in silico analysis of the immunogenicity of wild-type and mutant ATXN3, and its derived cleavage fragments, to further perform in vitro/in vivo studies for understanding the role of adaptive immune system in MJD. We carried out this study with the help of three bioinformatics tools, TepiTool to predict the ATXN3-MHC molecules binding affinity, CD4 T Cell Immunogenicity Prediction tool to identify possible immunogenic peptides and iProt-Sub to find potential cleavage sites of ATXN3. Although ATXN3 does not appear to be high immunogenic, we were able to identify potential cleavage sites that leads to the formation of 23 fragments that could be immunogenic and cause the toxicity of the fragments. In conclusion, we were able to identify potential ATXN3 peptides for performing further in vitro studies to better understand the role of the immune system in MJD.