Funktionelle und strukturelle Veränderungen der mitochondrialen Funktion bei Tauopathien

Functional and structural changes of mitochondrial function in Tauopathies

Tauopathien sind eine Gruppe von neurodegenerativen Erkrankungen zu denen auch die Alzheimer Demenz zählt, die als gemeinsames pathologisches Merkmal die intrazelluläre Akkumulation von neurofibrillären Bündeln (NFTs) au
Tauopathien sind eine Gruppe von neurodegenerativen Erkrankungen zu denen auch die Alzheimer Demenz zählt, die als gemeinsames pathologisches Merkmal die intrazelluläre Akkumulation von neurofibrillären Bündeln (NFTs) aufweisen. Diese bestehen aus hyperphosphoryliertem Tau-Protein, das hierdurch seine physiologische Funktion, die Assemblierung von Mikrotubuli zu fördern und diese zu stabilisieren, verliert. Der genaue Mechanismus, der bei diesen Erkrankungen zur Neurodegeneration führt und mit Demenz, Parkinsonismus und motorischen Störungen einhergehen kann, ist bisher weitgehend ungeklärt. Da mitochondriale Dysfunktion bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen eine entscheidende Rolle spielt, wurde in der vorliegenden Arbeit anhand eines Zellmodells zum Einen der Effekt durch die Überexpression von gesundem Wildtyp-Tau (hTau40) und zum Anderen die Auswirkungen der P301L-Mutation, wie sie auch bei der frontotemporalen Demenz mit Parkinsonismus (FTDP-17) auftritt, auf die mitochondriale Morphologie und Funktion untersucht. Die grundlegende Charakterisierung deckte eine weitreichende Einflussnahme von Tau auf den Energiestoffwechsel der Zellen auf. Die Überexpression von Tau führt zu einer verminderten Expression der Komplexe I, II und IV sowie einer veränderten Aktivität der mitochondrialen Atmungskettenkomplexe I-III. Zudem weist die verminderte Aktivität der Citrat-Synthase auf eine Beeinträchtigung des Citratzyklus hin. Der maßgebliche Unterschied zwischen den Tau überexprimierenden Zellen besteht in dem deutlich erniedrigtem Gehalt (NADH:HAR-Aktivität) und der drastisch erniedrigten Aktivität (NADH:DBQ-Aktivität) von Komplex I in den TauP301L-Zellen, wohingegen die hTau40-Zellen trotz eines vermindertem Gehalts im Vergleich zu den Kontroll-Zellen eine deutlich erhöhte Aktivität (DBQ/HAR-Aktivität) aufweisen. Diese gegensätzliche Aktivität von Komplex I führt zu weitreichenden Veränderungen der Zellphysiologie, was sich am deutlichsten in der daraus resultierenden metabolischen Aktivität (NADH-Spiegeln), den ATP-Spiegeln und dem mitochondrialen Membranpotential zeigt. Diese Parameter sind in den hTau40-Zellen aufgrund der hohen Komplex I-Aktivität erhöht und in den TauP301L-Zellen entsprechend erniedrigt. Ebenso spiegeln sich diese funktionellen Parameter in der veränderten Morphologie, Dynamik sowie der Ultrastruktur der Mitochondrien wieder. Die Cristae-Struktur sowie die Dichte der Matrix lassen eindeutige Rückschlüsse auf die aus den unterschiedlichen Komplex I-Aktivitäten resultierenden ATP-Spiegel zu. Weiterhin gibt es in der Literatur Hinweise, dass zum Einen die Transportrichtung der Mitochondrien von der Affinität der Motormoleküle von dem ATP-Gehalt der Mitochondrien abhängig zu sein scheint und zum Anderen, dass die Hemmung von Komplex I zu einem retrograden Transport und perinukleären Morphologie der Mitochondrien führt. Dies konnte ebenfall in den TauP301L-Zellen gezeigt werden. Zusätzlich sind hier die mitochondriale Bewegung sowie die Dynamik (Fusion und Fission) verringert. Interessanterweise spiegeln viele der funktionellen und strukturellen Veränderungen der TauP301L-Zellen den Alterungsprozess wieder, da es im Alter zu einer erhöhten Rate an oxidativen mtDNA-Schäden, einer verminderten Aktivität von Komplex I sowie zu einer verringerten Effektivität und Kapazität der oxidativen Phosphorylierung kommt, die in niedrigeren ATP-Spiegeln resultiert. Anhaltspunkte aus der Literatur bringen auch die morphologischen und dynamischen Veränderungen der Mitochondrien mit dem Alterungsprozess in Verbindung, wodurch das in dieser Arbeit verwendete Zellmodell anscheinend den Alterungsprozess widerspiegelt, der bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen den Hauptrisikofaktor für die Erkrankung darstellt. Die Mutation P301L führt weiterhin dazu, dass die Zellen eine erhöhte Vulnerabilität gegenüber sekundären Insulten aufweisen. Obwohl die Toxizität der einzelnen Stimuli – seien es nun Inhibitoren der einzelnen Atmungskettenkomplexe oder oxidativer sowie nitrosativer Stress – sich unterschiedlich auf die gemessenen physiologischen Parameter der Zellen auswirkte, so zeigt sich durchgängig bei den TauP301L-Zellen ein stärkerer Abfall der metabolischen Aktivität und der ATP-Spiegel. Zudem führte die Überexpression von hTau40 zu einer geringeren Vulnerabilität gegenüber den sekundären Insulten. Trotz der geringen Auswirkungen von oligomerem und fibrillärem Aß1-42 auf die mitochondriale Funktion der SH-SY5Y Zellen kann nicht ausgeschlossen werden, dass in vivo nicht doch ein Teufelskreislauf besteht, sodass sich die Toxizität von Aß und Tau potenziert. Insgesamt machen die Ergebnisse dieser Arbeit deutlich, dass mitochondriale Dysfunktion auch bei Tauopathien eine entscheidende Rolle in der Pathogenese spielt und sich hierdurch neue Aspekte zur therapeutischen Intervention ergeben.
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Tauopathies – including Alzheimer’s disease – are a class of neurodegenerative disorders that share as their common pathological feature the cytoplasmic accumulation of neurofibrillary tangles (NFTs). These tangles consi
Tauopathies – including Alzheimer’s disease – are a class of neurodegenerative disorders that share as their common pathological feature the cytoplasmic accumulation of neurofibrillary tangles (NFTs). These tangles consist of hyperphosphorylated tau protein, which in this state is no more able to bind and stabilize microtubules. Until today, the exact mechanisms about how this leads to dementia, Parkinsonism, motoric dysfunction and finally results in neurodegeneration is still not known. Because mitochondrial dysfunction plays a key role in several neurodegenerative diseases, the impact from overexpression of wild-type (hTau40) and mutant tau (TauP301L) on mitochondrial morphology and function was investigated in a neuroblastoma cell line. The results revealed an extensive influence of tau on energy metabolism. The overexpression of tau independently led to a down regulation of subunits from complex I, II and IV of the respiratory chain as well as changes in the activities of complex I-III. Additionally, the reduced activities from citrate synthase give evidence for an interference with the citric acid cycle. The significant difference between both tau overexpressing cells, was the attenuated amount (NADH:HAR activity) and the varying activity of complex I (NADH:DBQ activity). This resulted in an improved activity of complex I in hTau40 cells and a dramatic decrease in TauP301L cells both compared to control cells. These opposed complex I activities led to wide-ranging changes in cell physiology of the SH-SY5Y cells. The hTau40 cells showed an increase in metabolic activity (NADH level), ATP level and mitochondrial membrane potential (MMP), whereas these parameters were decreased in TauP301L cells. Furthermore, the morphology, dynamic and ultrastructure of mitochondria reflected the functional parameters. The cristae structure and the density of the matrix mirror clearly the differences in ATP levels that result from the opposed complex I activities. There is some evidence in the literature that on one hand, the direction of transport from mitochondria seems to be dependent on the affinity from the motor molecules to the ATP content of the transported mitochondria and on the other hand, that the inhibition of complex I results in a retrograde transport and perinuclear localization of mitochondria. These outcomes were also seen in the TauP301L cells. Additionally, mitochondrial movements and dynamic (fusion and fission) were reduced in these cells. Interestingly, the functional and structural changes in the TauP301L cells reflect some aspects of the aging process. Aging results in a higher amount of oxidative mtDNA damage, a diminished activity of complex I as well as a disturbed capacity of the oxidative phosphorylation system leading to decreased energy production. Furthermore, there is evidence that also morphological and dynamic changes are associated with the aging process. Therefore, the used cell model reflects aspects of the aging process, which is the main risk factor for many neurodegenerative diseases. Furthermore, the expression of the P301L mutation resulted in a higher vulnerability against secondary insults. Although the toxicity of the stimuli – inhibitors of the respiratory chain as well as oxidative and nitrosative stress – differ on their impact on physiological parameters, they resulted always in a stronger decrease of metabolic activity and ATP level in TauP301L cells. Compared to this, the overexression of hTau40 diminished the vulnerability against secondary insults. Even though oligomeric and fibrillar Aß1-42 showed only slight effect on mitochondrial function in this experimental design it can not be excluded that a vicious cycle exist in vivo and the toxicity of Aß and Tau potentiate each other. Altogether, the results from this work clearly show that mitochondrial dysfunction plays a critical role in the pathogenesis of Tauopathies, which could lead to new intervention strategies for therapy.
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Metadaten
Author:Kathrin Lydia Schulz
URN:urn:nbn:de:hebis:30-77263
Referee:Walter E. Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2010/06/01
Year of first Publication:2010
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2010/05/04
Release Date:2010/06/01
Tag:Komplex I ; Neurodegenerative Erkrankungen ; P301L-Mutation; mitochondriale Dysfunktion
P301L mutation ; complex I; mitochondria ; neurodegenerative diseases ; tau protein
SWD-Keyword:Mitochondrium; Tau-Protein
HeBIS PPN:223722170
Institutes:Pharmazie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $