Open Access

Alexander Kurz

• Während der vergangenen Jahrzehnte stieg die durchschnittliche Lebenserwartung der Bevölkerung in den westlichen Industrieländern durch die Verbesserung der allgemeinen Lebensbedingungen, insbesondere durch die Fortschritte in der Hygiene und der Medizin sowie stabile politische Verhältnisse, kontinuierlich an. Aufgrund dieser demographischen Entwicklung zu einer zunehmend älter werdenden Gesellschaft nimmt auch das Auftreten von progressiven, altersabhängigen Erkrankungen, wie zum Beispiel der Parkinson‟schen Krankheit zu. Dieser Trend stellt sowohl für die betroffenen Patienten und ihre Angehörigen als auch für die Gesundheits- und Sozialsysteme eine gewaltige und kostenintensive Herausforderung dar. Um wirkungsvolle Therapien entwickeln zu können, die früh im Krankheitsverlauf eingreifen und die Manifestation der Erkrankung verhindern oder verzögern beziehungs-weise die darauf abzielen, die Symptome der Erkrankung nach deren Manifestation zu lindern, ist es unerlässlich, die diesen progressiven, altersabhängigen Krankheiten zugrundeliegenden Mechanismen zu erforschen und entsprechende krankheitsspezifische, molekulare Biomarker zu identifizieren. Darüber hinaus stellt die Identifizierung solcher Biomarker einen wichtigen Ansatzpunkt für die klinische Diagnostik und Therapeutik sowie für die Entwicklung neuer therapeutischer Behandlungsstrategien dar. Das subzellulär vorwiegend präsynaptisch lokalisierte Protein alpha-Synuklein blieb in den Jahren nach seiner Erstbeschreibung 1988 durch Luc Maroteaux von der biomedizinischen Forschung weitgehend unbeachtet. Erst die Assoziationen von unterschiedlichen Mutationen des alpha-Synuklein-Gens mit seltenen, autosomal-dominant vererbten, monogenetischen Varianten der Parkinson‟schen Krankheit (PARK1 und PARK4) seit 1997 sowie die Identifizierung des Proteins im Jahre 1998 als Hauptbestandteil von intrazellulären Proteinaggregaten (Lewy-Körpern und Lewy-Neuriten), deren Vorkommen charakteristisch für progressive, neurodegenerative und unter dem Sammelbegriff „Synukleinopathien“ klassifizierte Erkrankungen (wie beispielsweise auch die häufigen, sporadischen Formen der Parkinson‟schen Krankheit) ist, ließen das alpha-Synuklein in den Fokus der biomedizinischen Forschung rücken. Trotz intensiver Bemühungen der weltweiten Forschungsgemeinschaft konnten seitdem in den vergangenen 13 Jahren die physiologischen Funktionen von alpha-Synuklein und die den unterschiedlichen Synukleinopathien zugrundeliegenden, molekularen pathophysiologischen Mechanismen nicht genau identifiziert werden. Stattdessen führte die intensive Forschung an alpha-Synuklein mit den unterschiedlichsten experimentellen Herangehensweisen und Modellsystemen zu verschiedenen und teilweise kontroversen Hypothesen und Theorien über dessen physiologische Funktion und pathophysiologische Wirkungsweisen. Die in dieser Dissertationschrift dargestellten experimentellen Untersuchungen wurden an zwei speziellen transgenen Mausmodellen durchgeführt, die entweder einen vollständigen Mangel (= „knockout“; KO) des alpha-Synuklein-Proteins oder eine transgene Überexpression von humanem, A53T-mutierten alpha-Synuklein aufwiesen. Das Hauptziel der dargestellten Studien war es, neue Erkenntnisse hinsichtlich der physiologischen Funktionen des alpha-Synuklein-Proteins, beziehungsweise der krankheits-relevanten, pathophysiologischen Mechanismen der den familiären PARK1- und PARK4-Varianten der Parkinson‟schen Krankheit zugrundeliegenden alpha-Synuklein-Mutationen (Substitution von Alanin durch Threonin an Position 53 der Aminosäuresequenz (A53T; PARK1) sowie Überexpression (Genduplikation/-triplikation; PARK4)) zu gewinnen...
• In the presented studies, alpha-synuclein-deficient KO and human A53T-SNCA-overexpressing mouse models were employed to study the physiological function(s) as well as PD-associated pathophysiological mechanisms of alpha-synuclein. A primary intention of the presented work was the identification of biomarkers for alpha-synuclein function or pathology in a hypothesis-free manner. Indeed, in a combination of distinct hypothesis-free approaches (via the application of oligonucleotide microarray and 2D-DIGE/MS technologies) and hypothesis-driven investigations, the transcriptome and proteome profiles of the employed mice were studied in different brain regions and at different ages to unravel alpha-synuclein genotype-dependent as well as age- and tissue-related alterations of gene expression. In the KO mice, alpha-synuclein deficiency was shown to modulate expression of glyoxalase I (GLO1) and forkhead box P1 protein (FOXP1). Further functional validations were achieved via analyses of USVs and behavior as well as enzyme activity studies and biochemical analyses of marker molecules for different types of cellular stress and energy metabolism. The consistent upregulation of GLO1, an enzyme known to protect cells from glucose-dependent toxicity and a biomarker for both Alzheimer‟s disease and anxiety states, may indicate a prominent alteration of glucose metabolism in the KO mouse brain. The assumption of an increased flux of glucose relating to mitochondrial respiratory dysfunction was supported by the profiling of the striatal proteome of the alpha-synuclein-deficient mice, where alterations of mitochondrial function, glycolysis and cellular energy metabolism were observed. These observations suggest a novel role for alpha-synuclein in the regulation of brain bioenergetics. The prominent and consistent transcriptional downregulation of FOXP1, a transcription factor implicated in neural connectivity and synaptic plasticity, might reflect a direct consequence of alpha-synuclein loss-of-function, in good agreement with a functional role of alpha-synuclein in synaptic maintenance. In the A53T-SNCA-overexpressing mice mimicking the PARK1-/PARK4-associated variants of PD, previous evidence for a progressive striatal synaptic dysfunction prior to the advent of neurodegeneration was reflected by subtle changes in DA neurotransmission and synaptic plasticity. On the transcript level, the glutamate receptor scaffold Homer1 was identified as the prominent molecular biomarker of this dysfunction. Furthermore, several other dopamine-induced transcripts such as Atf2 and Cb1 were found decreased at old age in microarray, qPCR and in situ hybridization analyses, indicating a progressively impaired postsynaptic dopamine response, in spite of a presynaptic steady increase in dopamine levels. The notion of a neurotransmission deficit in the striatum was supported by an upregulation of dopamine receptors DRD1 and DRD2 upon autoradiographic and immunoblot studies, and a reduced expression of the extraneural dopamine catabolism enzyme COMT, although in vivo microdialysis studies showed no significant alterations of dopamine basal levels in the extracellular space. The observed changes of Homer1 and Cb1 expression led to the speculation that glutamate-induced endocannabinoid-mediated synaptic plasticity was altered, and collaborators could indeed show a loss of long term depression upon electrophysiological studies of corticostriatal slices from aged mice. In addition, analyses of the striatal proteome of the A53T-SNCA overexpressing mice showed abnormal expression of several isoforms of the signaling mediator and alpha-synuclein interactor 14-3-3. In addition, several components of the synaptic vesicle cycles showed dysregulated expression, suggesting alterations of signal transduction. Finally, consistent changes of mitochondrial function and cellular energy metabolism were detected, in the opposite direction than in the alpha-synuclein KO mice, confirming a relevant role of alpha-synuclein for brain bioenergetics. Thus, the employed A53T-SNCA-overexpressing mice seem useful to understand molecular mechanisms occurring in early stages of PD prior to the onset of disease symptoms and the advent of neurodegeneration. Molecular targets of neuroprotective therapies may be identified as well as criteria to judge the benefit of preventive drugs. Since alpha-synuclein toxicity is the common denominator of all variants of Parkinson‟s disease and affects 5% of the human population at old age, hopefully these findings can be translated from murine experiments to daily patient management in the near future