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BACKGROUND: Parkinson's disease (PD), the second most frequent neurodegenerative disorder at old age, can be caused by elevated expression or the A53T missense mutation of the presynaptic protein alpha-synuclein (SNCA). PD is characterized pathologically by the preferential vulnerability of the dopaminergic nigrostriatal projection neurons. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Here, we used two mouse lines overexpressing human A53T-SNCA and studied striatal dysfunction in the absence of neurodegeneration to understand early disease mechanisms. To characterize the progression, we employed young adult as well as old mice. Analysis of striatal neurotransmitter content demonstrated that dopamine (DA) levels correlated directly with the level of expression of SNCA, an observation also made in SNCA-deficient (knockout, KO) mice. However, the elevated DA levels in the striatum of old A53T-SNCA overexpressing mice may not be transmitted appropriately, in view of three observations. First, a transcriptional downregulation of the extraneural DA degradation enzyme catechol-ortho-methytransferase (COMT) was found. Second, an upregulation of DA receptors was detected by immunoblots and autoradiography. Third, extensive transcriptome studies via microarrays and quantitative real-time RT-PCR (qPCR) of altered transcript levels of the DA-inducible genes Atf2, Cb1, Freq, Homer1 and Pde7b indicated a progressive and genotype-dependent reduction in the postsynaptic DA response. As a functional consequence, long term depression (LTD) was absent in corticostriatal slices from old transgenic mice. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: Taken together, the dysfunctional neurotransmission and impaired synaptic plasticity seen in the A53T-SNCA overexpressing mice reflect early changes within the basal ganglia prior to frank neurodegeneration. As a model of preclinical stages of PD, such insights may help to develop neuroprotective therapeutic approaches.
The presynaptic protein alpha-synuclein has received much attention because its gain-of-function is associated with Parkinson’s disease. However, its physiological function is still poorly understood. We studied brain regions of knock-out mice at different ages with regard to consistent upregulations of the transcriptome and focused on glyoxalase I (GLO1). The microarray data were confirmed in qPCR, immunoblot, enzyme activity, and behavior analyses. GLO1 induction is a known protective cellular response to glucose stress, representing efforts to decrease toxic levels of methylglyoxal (MG), glyoxal and advanced glycation endproducts (AGEs). Mass spectrometry quantification demonstrated a ubiquitous increase in MG and fructosyl-lysine as consequences of glucose toxicity, and consistent enhancement of certain AGEs. Thus, GLO1 induction in KO brain seems insufficient to prevent AGE formation. In conclusion, the data demonstrate GLO1 expression and glycation damage to be induced by alpha-synuclein ablation. We propose that wild-type alpha-synuclein modulates brain glucose metabolism.
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...