Inibizione di USP14 incrementa la mitofagia Parkin-indipendente in iNeurons

Loss of proteostasis is well documented during aging and depends on the progressive pathological decline in the activity of two major degradative mechanisms: the ubiquitin-proteasome system (UPS) and the autophagy-lysosomal pathway. Although a physiological decline in proteostasis during aging is expected, this seems to be exacerbated in age-associated neurodegenerative diseases. Indeed, patients display an accumulation of aggregated proteins and dysfunctional mitochondria, which becomes pathologically relevant because it leads to enhanced neuroinflammation and ROS production, culminating in neuronal death. In this context, approaches aimed to enhance proteins and organelles' homeostasis are promising targets for therapeutic applications. Supporting this hypothesis, we recently reported that inhibition of the deubiquitinating enzyme USP14, which is known to enhance both the UPS and autophagy, increases lifespan and rescues the pathological phenotype of two fly models of neurodegeneration. Studies on the effects of USP14 inhibition in mammalian neurons have not yet been conducted. To close this gap, we exploited iNeurons differentiated from human embryonic stem cells (hESCs) to investigate the potential beneficial effect of enhancing proteostasis in two in vitro models, which are known to accumulate dysfunctional mitochondria: PINK1 and Parkin KO iNeurons. Quantitative global proteomics analysis performed following genetic ablation or pharmacological inhibition of USP14 demonstrated that USP14 inhibition specifically promotes mitochondrial autophagy, i.e. mitophagy, in iNeurons. Accordingly, our biochemical and imaging data showed that USP14 inhibition enhances autophagy and mitophagy in these neurons of human origin. Importantly, the mitophagic effect of USP14 inhibition rescued the mitochondrial defects of Parkin KO neurons, supporting the use of small-molecule inhibitors of USP14 for therapeutic intervention.

La perdita di proteostasi è ben documentata durante l'invecchiamento e dipende dal progressivo declino patologico dell'attività di due principali meccanismi degradativi: il sistema ubiquitina-proteasoma (UPS) e la via autofagico-lisosomiale. Sebbene sia previsto un declino fisiologico della proteostasi durante l'invecchiamento, questo sembra essere esacerbato nelle malattie neurodegenerative associate all'età. Infatti, i pazienti mostrano un accumulo di proteine aggregate e mitocondri disfunzionali, che diventa patologicamente rilevante perché porta a una maggiore neuroinfiammazione e produzione di ROS, culminando nella morte neuronale. In questo contesto, gli approcci volti a migliorare l'omeostasi delle proteine e degli organelli sono obiettivi promettenti per applicazioni terapeutiche. A sostegno di questa ipotesi, abbiamo recentemente riportato che l'inibizione dell'enzima deubiquitinante USP14, che è noto per migliorare sia l'UPS che l'autofagia, aumenta la durata della vita e salva il fenotipo patologico di due modelli di neurodegenerazione del moscerino. Non sono ancora stati condotti studi sugli effetti dell'inibizione di USP14 nei neuroni dei mammiferi. Per colmare questa lacuna, abbiamo sfruttato iNeurons differenziati dalle cellule staminali embrionali umane (hESC) per studiare il potenziale effetto benefico del miglioramento della proteostasi in due modelli in vitro, che sono noti per accumulare mitocondri disfunzionali: PINK1 e Parkin KO iNeurons. L'analisi quantitativa della proteomica globale eseguita dopo l'ablazione genetica o l'inibizione farmacologica di USP14 ha dimostrato che l'inibizione di USP14 promuove specificamente l'autofagia mitocondriale, cioè la mitofagia, negli iNeuroni. Di conseguenza, i nostri dati biochimici e di imaging hanno mostrato che l'inibizione di USP14 migliora l'autofagia e la mitofagia in questi neuroni di origine umana. È importante sottolineare che l'effetto mitofagico dell'inibizione di USP14 ha salvato i difetti mitocondriali dei neuroni Parkin KO, supportando l'uso di inibitori di piccole molecole di USP14 per l'intervento terapeutico.