Osteogenesis imperfecta: cell death and mitochondrial dysfunction in the cerebellum of Brtl mice

Osteogenesis Imperfecta (OI) is a genetic connective tissue disorder primarily caused by mutations in the COL1A1 and COL1A2 genes, which encode type I collagen, a key structural protein. This thesis investigates the neuronal impact of OI using 18-month-old Brtl mice (Col1a1+/G349C), a model that replicates the human condition in advanced age. Through histological, immunohistochemical, and ultrastructural analyses, the study identified both anatomical and molecular alterations in the cerebellum. Hematoxylin-eosin staining revealed reduced cell density in female Brtl mice compared to wild-type controls, suggesting compromised neuronal integrity. Immunohistochemical analysis showed reduced expression of p53 and p62, especially in males, indicating altered apoptotic and autophagic responses. Calbindin was upregulated in male Brtl mice, possibly reflecting a neuroprotective mechanism against calcium imbalance, while PINK1 levels were significantly reduced in both sexes — particularly in females — suggesting impaired mitochondrial quality control. Transmission electron microscopy (TEM) further revealed structural abnormalities in mitochondria and the endoplasmic reticulum, particularly in female Brtl mice, supporting the hypothesis of collagen-related cellular stress and homeostatic disruption. In conclusion, this work highlights how type I collagen mutations affect cerebellar structure and function, suggesting new perspectives for understanding and treating both skeletal and neurological aspects of OI.

L’Osteogenesi Imperfecta (OI) è una malattia genetica del tessuto connettivo, causata principalmente da mutazioni nei geni COL1A1 e COL1A2, che codificano per il collagene di tipo I, una proteina strutturale fondamentale. Questo lavoro di tesi ha analizzato le implicazioni neuronali dell’OI utilizzando il modello murino Brtl (Col1a1+/G349C) di 18 mesi, che riproduce la patologia umana in una fase avanzata e senile. Attraverso analisi istologiche, immunoistochimiche e ultrastrutturali, sono state identificate alterazioni sia anatomiche che molecolari nel cervelletto. La colorazione con ematossilina-eosina ha evidenziato una riduzione della densità cellulare nel cervelletto delle femmine Brtl rispetto ai controlli wild-type, suggerendo una compromissione dell’integrità neuronale. Le analisi immunoistochimiche hanno mostrato una riduzione dei livelli di p53 e p62, in particolare nei maschi, indicando un’alterazione delle risposte apoptotiche e autofagiche. La calbindina è risultata aumentata nei maschi Brtl, suggerendo un possibile meccanismo neuroprotettivo contro lo squilibrio del calcio intracellulare, mentre i livelli di PINK1 erano significativamente ridotti in entrambi i sessi — con una diminuzione più marcata nelle femmine — suggerendo una compromissione nei meccanismi di controllo della qualità mitocondriale. L’analisi ultrastrutturale tramite microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ha evidenziato alterazioni nella morfologia dei mitocondri e del reticolo endoplasmatico, in particolare nelle femmine Brtl, confermando l’ipotesi di uno stress cellulare e di una perturbazione dell’omeostasi legati alla mutazione del collagene di tipo I. In conclusione, questo studio mette in luce come le mutazioni del collagene di tipo I influenzino la struttura e la funzione cerebellare, aprendo nuove prospettive per comprendere e affrontare sia gli aspetti scheletrici che neurologici dell’OI.