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Die vorliegende Dissertationsschrift befasst sich mit der molekulargenetischen Analyse zweier Basalganglienerkrankungen. Zum einen wurden Patienten mit M. Parkinson genetisch untersucht, zum anderen Patienten mit autosomal dominanter zervikaler Torsionsdystonie. Die Aufgabe bestand in der passenden Wahl der Methode zur jeweiligen humangenetischen Fragestellung. Der erste Teil handelte von der Suche der krankheitsverursachenden Mutation für die autosomal dominante zervikale Torsionsdystonie mit Spätmanifestation auf Chromosom 18p (Kandidatenlokus DYT7). Die erkrankte Familie deutscher Herkunft zeigt dystone Symptome mit Betonung auf kraniozervikale und brachiale Körperabschnitte und ist somit die weltweit einzige bekannte Familie mit Vererbung dieser ansonsten sporadisch auftretenden Erkrankung. Die PCR-Sequenzierung der Kandidatengene ZFP161, LOC390828, NDUFV2 und PTPRM auf dem DYT7 Lokus erbrachte bei den sieben erkrankten Familienmitgliedern im Vergleich zu nicht verwandten Kontrollen (Ehepartner und 96 Kontrollen der Blutbank) keinen Aminosäureaustausch, der ausschließlich bei den erkrankten Probanden zu finden war. Technisch konzentrierte sich diese Untersuchung auf die Amplifizierung und anschließende Sequenzierung jedes einzelnen Exons in den zu untersuchenden Proben, und die Bestätigung einer putativen Mutation mittels Verdau der PCR-Produkte durch Restriktionsendonukleasen. Die Auswahl der Kandidatengene erfolgte aufgrund der Annahme pathobiochemischer Mechanismen, die durch andere Formen der vererbten Torsionsdystonie oder zellbiologische Experimente als krankheitsverursachend gelten. Auch wenn keine Mutation gefunden wurde, so konnten bereits bekannte und neue single nucleotide polymorphisms (SNP) etabliert werden. Die zweite Thematik befasste sich mit der Frage, ob das bereits bekannte Parkinson-Gen UCH-L1 auf dem PARK5 Lokus krankheitsverursachend für den autosomal dominanten M. Parkinson in einer spanischen Familie ist. Diese parametrische Kopplungsanalyse wurde mithilfe der heißen Polyacrylamid-Gelelektrophorese (PAGE) durchgeführt. Dabei konnte in allen Patienten und den Verwandten ersten Grades über Analyse der Mikrosatelliten nördlich und südlich der Kandidatenregion (UCH-L1) in einem Bereich sehr niedriger Rekombinationswahrscheinlichkeit eine Haplotypisierung erfolgen. Die Haplotypisierung zeigte nicht die erforderliche Identifizierung eines Krankheitsallels bei allen betroffenen Probanden. Somit ist hier neben der einzig bekannten deutschen PARK5 Familie keine weitere Familie mit UCH-L1 Mutation bestätigt worden. Dementsprechend ist die Ätiologie dieser Erkrankung in dieser Familie noch unklar, was aber der Bedeutung des Ubiquitin-Proteasom Systems in der Parkinson-Entität keinen Abbruch getan hat. Da alle anderen autosomal dominanten Parkinson-Loci ausgeschlossen sind, muss sich die Ursache für den M. Parkinson in dieser Familie in einem heute noch unbekannten Gen befinden. Weitere Untersuchungen im Rahmen eines Genomscans sind aufgrund der geringen Fallzahl nicht möglich. Die letzte Aufgabe dieser Arbeit bestand in der Durchführung einer Assoziationsstudie mit den putativen PINK1 (PARK6) Interaktoren NME4 und MTIF3 für den mehrheitlich sporadisch auftretenden M. Parkinson. Dabei wurden in zwei unabhängigen Studiengruppen mit insgesamt 453 sporadischen Parkinsonpatienten und 370 Kontrollen jeweils zwei SNPs auf gekoppelte Vererbung mit der Erkrankung untersucht. Der Unterschied zwischen den Testgruppen bestand im Studiendesign, da zum einen mit den Patienten nicht verwandte Kontrollen und zum anderen verwandte Kontrollen verwendet wurden. Die mit beiden Studientypen normalerweise auftretenden Probleme durch Stratifikation bzw. erniedrigte statistische Power konnten durch Kombination der Studien ausgeglichen werden. Das Methodenspektrum umfasste PCR und Restriktionsverdau, was zum Auffinden eines Kopplungsungleichgewichts für das Gen MTIF3 führte. Ein heterozygoter Basenaustausch für den Polymorphismus rs7669 erhöht signifikant das Relative Risiko an M. Parkinson zu erkranken, wohingegen der homozygote Basenaustausch das Krankheitsrisiko des Trägers signifikant erniedrigt. Bezüglich des Relativen Risikos wurde der Effekt der molekularen Heterosis nachgewiesen. Bei diesem mitochondrial lokalisierten Gen handelt es sich um einen Initiator der mitochondrialen Translation. Demzufolge besteht hier Einfluss auf die Homöostase und somit Funktionalität der Atmungskettenkomplexe, die als bedeutend für die Pathogenese des M. Parkinson angesehen werden. Die Verbindung zum mitochondrial lokalisierten PINK1 besteht aufgrund seiner Kinase-Aktivität in der An- und Abschaltung des mitochondrialen Translations - Initiationsfaktors. Aber auch die Wichtigkeit von NME4 konnte in dieser Studie trotz fehlender Assoziation nicht ausgeschlossen werden, da vorangehende experimentelle Ergebnisse dieses Protein bereits in den PINK1 Signalweg zuordnen konnten. MTIF3 könnte wohlmöglich ein wichtiger genetische Risikofaktor für den idiopathischen M. Parkinson sein. Es bleibt abzuwarten, ob zukünftige genetische und zellbiologische Experimente die Wichtigkeit, die in diesem Protein zu liegen scheint, bestätigen können.
Die Parkinson Erkrankung ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung in industrialisierten Ländern. Die charakteristischen Symptome sind schwere Beeinträchtigungen des Bewegungsablaufes welche auf den Verlust dopaminerger Neurone der Substantia nigra und der damit einhergehenden Reduktion des striatalen Dopamin Gehaltes zurückzuführen sind. Alpha-Synuklein (SNCA) ist ein Protein welches zum einen mit sporadischen aber auch mit idiopathischen Erkrankungen assoziiert ist. Mutationen welche einen Funktionsgewinn von SNCA zur Folge haben konnten mit autosomal dominanten Varianten der Parkinson Erkrankung assoziiert werden und genetische Veränderungen an beiden Genenden agieren als Risikofaktor für sporadische Formen der Erkrankung. Des Weiteren wird SNCA als Hauptbestandteil der Lewy Körperchen gefunden, einem pathologischen Kennzeichen der parkinsonschen Erkrankung. Die charakteristischen Bewegungsstörungen können mittels L-DOPA, einer metabolischen Vorstufe von Dopamin, behandelt werden. Neben dem enorm positiven Effekt auf die Bewegungsstörungen, geht die Behandlung mit L-DOPA jedoch auch mit ernsten Nebenwirkungen einher, welche als Levodopa induzierte Dyskinesien (LID) beschrieben werden.
Ziel der Arbeit war die Analyse von Effekten eines SNCA Funktionsgewinns sowie des Pink1 Funktionsverlustes auf molekulare Signalwege der synaptischen Plastizität unter Verwendung dreier PD Mausmodelle (A53T-SNCA überexprimierendes Modell (PrPmtA), Pink1KO Modell sowie A53T-SNCA + Pink1KO Doppelmutante (DM)). Es wurden Kandidatengene welche eine Rolle für synaptische Plastizität spielen in 6 Monate alten Mäusen aller drei PD Mauslinien untersucht. Die Analyse von PrPmtA zeigte erhöhte mRNA Spiegel von Glutamatrezeptor-Untereinheiten und von Kandidatengenen welche eine Rolle bei der synaptischen Signalweiterleitung spielen, sowie reduzierte mRNA Spiegel von IEGs und Transkriptionsfaktoren. Die Analyse der DM zeigte nur geringe Expressionsänderungen der Glutamatrezeptor-Untereinheiten und die Analyse von IEGs und Transkriptionsfaktoren zeigte erneut reduziert mRNA Spiege. In Pink1KO Tieren konnten nur minimale Expressionsveränderungen der Kandidatengene gefunden werden, was den Schluss zulässt, dass die zuvor beschriebenen Expressionsveränderungen in PrPmtA und DM Mäusen eindeutig auf den SNCA Funktionsgewinn zurückzuführen sind. Um frühe Effekte des SNCA Funktionsgewinns zu studieren wurde die Analyse auf 3 Monate alte PrPmtA Mäuse ausgeweitet. Diese ergab, Expressionsveränderungen für Homer1, cFos, NOR1, Nurr1 und Nur77.
In einem weiteren Versuchsansatz wurde die Auswirkung des SNCA Funktionsgewinns auf das Verhalten sowie auf molekulare Parameter nach Apomorphin Behandlung analysiert. Die Analyse ergab ein erhöhtes Niveau an unwillkürlichen Bewegungsmustern mit stereotypen und dystonischen Eigenschaften in PrPmtA im Vergleich zu Wildtypen (wt). Die molekulare Analyse von striatalem Gewebe wurde zu zwei Zeitpunkten durchgeführt, 30 min nach Apomorphin Injektion und 100 min nach Injektion. Die Analyse von striatalem Gewebe welches zum Zeitpunkt 30 min nach Injektion entnommen wurde ergab eine erhöhte Apomorphin abhängige Phosphorylierung von ERK1/2, sowie eine erhöhte Apomorphin abhängige Expression von Dusp1, Dusp6 und cFos in transgenen und wt Tieren. Genotyp abhängige Unterschiede ergaben sich für cFos, welches signifikant höher in PrPmtA induziert wurde. 100 min nach Apomorphin Injektion ergab die gleiche Analyse eine erhöhte Apomorphin abhängige Phosphorylierung von ERK1 und eine erhöhte Apomorphin abhängige Expression von Dusp1, Dusp6, cFos und Nur77 in PrPmtA im Vergleich zu wt. Die Daten unterstreichen die fundamentale Rolle von SNCA auf die Neurotransmission und synaptische Plastizität und zeigen auf, dass PrPmtA ein zuverlässiges Modell für die Analyse von präsynaptischer Dysfunktion in Frühstadien der Parkinson Erkrankung darstellt.
Der letzte Versuchsansatz stellt die Charakterisierung des DM-Mausmodells welches sich durch einen starken Phänotyp auszeichnet, sowie die Analyse des Pink1 Effektes auf die SNCA induzierte Neurotoxizität dar. DM-Tiere zeigen deutlich reduzierte Spontanmotorik im Alter von 3 Monaten sowie einer progressiven Lähmung der Hinterläufe, was Anlass zu einer immunhistologischen Charakterisierung mittels Schnitten des Gehirns und Rückenmarks gab. Die histologische Analyse zeigte pSer129-SNCA, p62/SQSTM1 und Ubiquitin positive Aggregate innerhalb der grauen Substanz des Rückenmarks sowie innerhalb einer neuronalen Zellpopulation welche dorsal der Substantia nigra angeordnet ist. Das histologische Erscheinungsbild wurde spezifisch in gelähmten DM-Tieren gefunden und nicht in Einzelmutanten oder DM-Tieren ohne Lähmung. Dieses Modell stellt ein wertvolles Instrument für die Identifizierung von pathologischen Mechanismen und Signalkaskaden welche beiden Parkinson relevanten Genen gemeinsam sind, dar.
Cerebellar ataxias are a group of neurodegenerative disorders primarily affecting the cerebellum. Although causative mutations in several genes have been identified there is currently no cure for ataxias.
The first part of this dissertation is focused on Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2). SCA2 is a dominant ataxia caused by repeat expansion mutations in the ATXN2 gene, which encodes the protein Ataxin2 (ATXN2). A polyglutamine (polyQ) tract consisting of CAG repeats interrupted by CAA was identified at exon 1 of ATXN2. Healthy individuals have between 22 and 23 glutamines, while expansions longer than 33 CAG repeats cause SCA2. The most noticeable symptom that SCA2 patients show is ataxic gait; however, they also show cerebellar dysarthria, dysdiadochokinesia, and ocular dysmetria caused by the progressive cerebellar degeneration.
To model the SCA2 disease, we generated a new mouse model where 100 CAG repeats were introduced in the mouse Atxn2 gene via homologous recombination. The characterization of this mouse model, Atxn2-CAG100-KIN, demonstrated that it reproduces the symptomatology observed in SCA2 patients. These animals showed significant loss of weight over time, brain atrophy, and motor deficits.
In addition, ATXN2 intermediate expansions have been linked to the pathology of Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) as a risk factor. ALS is a fatal neurodegenerative disease where the motor neurons in the brain and spinal cord degenerate. A hallmark of ALS is the presence of TDP43-positive inclusions in neurons and glia. Further studies of post mortem spinal cord samples from SCA2 patients showed severe and widespread neurodegeneration of the central somatosensory system. Therefore, it was of interest to further investigate the pathology affection of this tissue in the Atxn2-CAG100-KIN line and the relationship between ATXN2 and TDP43. The characterization of the spinal cord pathology via protein quantification, transcript quantification, and immunohistochemistry showed a preferential affection of RNA binding proteins (RBP) in the spinal cord rather than the cerebellum. The ALS-linked factors TDP43 and TIA1 showed time-dependent co-aggregation with ATXN2 in spinal cord sections together with an increase of CASP3 levels. Therefore, this mouse model can help develop new therapies and evaluate their effect in differently affected areas.
A transcriptome data set from Atxn2-CAG100-KIN spinal cord samples at the final disease stage of this mouse model showed a strong up-regulation of RNA toxicity-, immune- and lysosome-implicated factors. These data pointed to a pathological reactivation of the synaptic pruning and phagocytosis in microglia. ATXN2-positive aggregates were found in microglia from spinal cord sections of 14-month-old Atxn2-CAG100-KIN via immunohistochemistry. The characterization of microglial response and the potentially deleterious effects of the expanded ATXN2 in this cell type could lead to therapies to improve patients’ living standards or delay the symptoms’ onset.
The second part of this thesis was focused on an autosomal recessive form of cerebellar ataxia, Ataxia Telangiectasia (A-T), with childhood onset. A-T patients show severe cerebellar atrophy manifesting as ataxia when the child starts to walk. The genetic cause of A-T is loss-of-function-mutations in the Ataxia Telangiectasia Mutated gene (ATM). ATM is a kinase involved in DNA damage response, oxidative stress, insulin resistance, autophagy via mTOR signaling, and synaptic function.
Working with proteome data from cerebrospinal fluid of 12 A-T patients and 12 healthy controls, we aimed to define novel biomarkers that would allow following the neurodegeneration in extracellular fluid. Additional validation efforts with ~2-month-old Atm-knock-out (Atm-/-) cerebellar samples helped us to define a scenario were the deficit of vesicle-associated ATM alters the secretion of ApoB, reelin, and glutamate. As extracellular factors, apolipoproteins and their cargo such as vitamin E may be useful for neuroprotective interventions.
In vitro investigation of genes identified by genome-wide association studies of Parkinson's disease
(2014)
Die Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine autosomal dominant vererbte neurodegenerative Krankheit, welche durch die Expansion des Trinukleotids Cytosin-Adenin-Guanin von ~22/23 auf >32 im Ataxin-2 Gen (ATXN2) verursacht wird. Dieses Trinukleotid codiert für die Aminosäure Glutamin weshalb SCA2 auch zu den Polyglutaminerkrankungen zählt. Zu dieser Gruppe zählen außerdem fünf weitere SCA-Subtypen sowie drei weitere neurodegenerative Erkrankungen, darunter die Huntington-Krankheit.
SCA2 wurde 1971 zum ersten Mal von Wadia und Swami beschrieben und unterscheidet sich von den anderen SCAs aufgrund der typischen Störung der sakkadischen Augenbewegungen. Weitere klinische Symptome von SCA2 sind Ataxie, Tremor, Dysmetrie, Dysarthrie, Hyporeflexie und Dysdiadochokinese. Die Symptome gehen auf einen neuronalen Verlust insbesondere im Cerebellum, aber auch in anderen Hirnregionen wie zum Beispiel dem Hirnstamm zurück.
Atxn2 wird in weiten Teilen des Zentralnervensystems aber auch in vielen nicht-neuronalen Geweben exprimiert. Es handelt sich um ein überwiegend cytoplasmatisch lokalisiertes Protein, welches im Gegensatz zu vielen anderen SCA-Proteinen cytoplasmatische und nur selten nukleäre Aggregate bildet. Die exakte Funktion von Atxn2 ist bisher unklar, es wurde allerdings mehrfach gezeigt, dass es in die mRNA Translation involviert ist aufgrund seiner Interaktion mit dem PolyA-bindenden Protein PABPC1.
Eine Expansion des Trinukleotids in Ataxin-2 kann nicht nur zu SCA2 führen, sondern stellt bei Wiederholungen zwischen 27 und 32 CAGs auch ein erhöhtes Risiko für eine Erkrankung an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und anderen neurodegenerativen Krankheiten dar. Eine Interaktion zwischen ATXN2 und dem ALS-verursachenden TDP43 (Tardbp) wurde bereits zahlreich beforscht, da Aggregate von ATXN2 in Motoneuronen des Rückenmarks von ALS-Patienten und aggregiertes TDP43 in SCA2-Neuronen beobachtet wurden.
Generell sind die Mechanismen, die zur Pathologie von SCA2 und ALS führen, noch weitgehend unklar. Ziel dieser Arbeit war es daher auf der einen Seite einen Einblick in den Pathomechanismus von SCA2 zu erhalten, indem mögliche oder bereits bekannte Interaktoren in etablierten Atxn2-Mausmodellen untersucht wurden. Auf der anderen Seite wurden zwei neue Mausmodelle charakterisiert, um ihre Eignung für die Erforschung von ALS und SCA2 zu prüfen.
Für den ersten Teil der Arbeit dienten Daten aus mehreren Transkriptomstudien von Atxn2-Knock-Out (KO) und Atxn2-CAG42-Knock-In (KIN) Mäusen als Grundlage. Konnten die Daten mit einer unabhängigen Methode bestätigt werden, folgten weitere Untersuchungen auf mRNA und Proteinebene sowie unter zusätzlicher Verwendung von Zellkultur und Patientenmaterial. Dadurch konnten neue Interaktionspartner von ATXN2 identifiziert und bereits bekannte in diesen Mausmodellen bestätigt werden.
So wurde zum Beispiel eine Interaktion von ATXN2 mit der E3-Ubiquitin-Protein-Ligasekomponente FBXW8 gezeigt und deren Beteiligung am Abbau von expandiertem ATXN2. Außerdem wurde eine Interaktion von FBXW8 mit dem bereits bekannten ATXN2-degradierenden Protein PARK2 gezeigt. Eine Hochregulierung des Fbxw8 Transkripts wurde sowohl im Atxn2-CAG42-KIN-Mausmodell als auch in SCA2-Patientenfibroblasten gefunden, während Park2 in keinem der Modelle signifikant veränderte Transkriptspiegel aufwies. Diese Daten belegen die Relevanz von Fbxw8 für den Abbau von moderat-expandiertem Atxn2 und begründen weitere Studien zur genauen Funktion dieses Proteins im Pathomechanismus von Atxn2.
Des Weiteren wurden diverse Kalziumhomöostasefaktoren untersucht, welche eine konsistente Herunterregulierung der Transkripte in beiden Mausmodellen aufwiesen. Auf Proteinebene zeigten sich jedoch Unterschiede zwischen den Modellen. Diese Daten belegen, dass zwar ähnliche Transkriptveränderungen im KIN- und KO-Modell auftreten, diesen aber vermutlich verschiedene Mechanismen zugrunde liegen. Welche Mechanismen dies genau sind bleibt zu klären, es ist jedoch wahrscheinlich, dass im KIN-Modell die Aggregatbildung sowie in beiden Modellen die Beteiligung von ATXN2 an der Translationregulation eine Rolle spielen. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Relevanz des Ca2+ Signalwegs für die Entwicklung von SCA2.
Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Charakterisierung einer ATXN2/TDP43 Doppelmutante auf Verhaltensebene sowie die gründliche Evaluierung des Phänotyps einer vollkommen neuen SCA2 Mausmutante. Während in der Doppelmutante trotz doppelter Genmutation nur ein sehr schwacher Phänotyp auf Verhaltensebene festgestellt werden konnte und bis zu einem Alter von 12 Monaten keine Potenzierung der Mutationen zu beobachten war, zeigte die Atxn2-CAG100-KIN Maus signifikante und früh auftretende Pathologie. Neben einer verminderten Überlebensrate, einem Gewichtsverlust und diversen motorischen Störungen, konnten auch Aggregate des mutierten Proteins in diversen Hirnregionen identifiziert werden. Der Atxn2-CAG100-KIN Phänotyp spiegelt die humanen Symptome daher recht gut wider, weshalb diese Mausmutante ein wertvolles Modell für die weitere SCA2-Forschung darstellt.
Zusammengefasst zeigt diese Arbeit die Bedeutung des ATXN2-Interaktors FBXW8 im SCA2-Mausmodell als auch im Patientenmaterial. Sie betont die Relevanz des Atxn2-KO-Modells in Bezug auf Störungen der Kalziumhomöostase und dokumentiert die Alters- und Gewebespezifität dieser Veränderungen. Außerdem beinhaltet sie die vorläufige Beschreibung eines kombinierten Atxn2/TDP43-Mausmodells und schließlich die ausführliche Charakterisierung eines vollkommen neuen und äußerst wertvollen SCA2-Mausmodells.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle des Proteins S100B in humanen Neuroblastomzellen und primären hippokampalen Neurone der Ratte beim apoptotischen Zelltod untersucht. Hierfür wurden verschiedene zelltodinduzierende Agentien und Stresskonditionen verwendet. Für den exzitotoxischen, glutamatabhängigen Zelltod wurde eine NMDA-induzierte Zellschädigung sowie eine Hypoxieinduktion in einer Hypoxiekammer benutzt. Hier konnte für beide Apoptosemodelle und in beiden Zellarten eine signifikante Neuroprotektion in Anwesenheit von S100B gezeigt werden. Besonders in Hinblick auf bereits gezeigte aktive Sezernierung von S100B nach metabolomischem Stress in Astrozyten sollten die weiteren Signalwege und Effekte dieses Proteins erforscht werden. Im Zuge der Untersuchung eines möglichen Wirkungsmechanismus von S100B zeigte sich zunächst eine signifikante Aktivierung des Zellrezeptors RAGE. Weiterhin zeigte sich in primären hippokampalen Neuronen eine Aktivierung des RAF/MEK/MAPKERK-Signalwegs zumindest partiell verantwortlich für die Vermittlung der neuoprotektiven Wirkung von S100B bei NMDA-induzierter Apoptose. Durch Experimente unserer Arbeitsgruppe wurde bereits zuvor eine S100B abhängige Aktivierung von NFκB beobachtet. In dieser Arbeit konnte mit VEGF ein evtl. NFκB-abhängig aktiviertes Zielgen für die neuroprotektive Wirkung von S100B bei hypoxieinduzierter Apotpose gefunden werden. Demnach erklärt sich ein möglicher neuroprotektiver Wirkmechanismus von S100B beim exzitotoxischen Zelltod durch Aktivierung des Rezeptors RAGE an der Zelloberfläche, mit anschließender Aktivierung des MEK-Erk Signalwegs. Dieses kann seinerseits zu einer Aktivierung von NFκB in der Zelle mit Hochregulierung des VEGF-Gens führen.
Ein weiteres untersuchtes Apoptosemodell für die Rolle von S100B war die direkte DNA-Schädigung durch UV-Bestrahlung und Etoposid sowie die Schädigung durch den Proteasom-Inhibitor und p53 Aktivator Epoxomicin in humanen SHSY5Y Neuroblastoma-Zellen und primären hippokampalen Neuronen der Ratte. Auch hier zeigte sich in allen drei Modellen eine signifikante Neuroprotektion in Anwesenheit von S100B.
Da es einige Hinweise (unter anderem noch nicht publizierte Daten unserer eigenen Arbeitsgruppe) für eine Aufnahme von S100B in die Zelle gibt, wurde eine evtl. Wechselwirkung von S100B mit dem, nach DNA-Schädigung hochreguliertem, apoptoseinduzierenden Protein p53 untersucht. Hier zeigte sich, dass S100B sowohl nach DNA-Schädigung durch UV-Bestrahlung, als auch nach Etoposid-Behandlung die Hochregulierung von p53 auf Proteinebene signifikant reduziert und eine Translokation zum Zellkern verhindert. In Zusammenschau dieser Daten und den aktuellen Literaturdaten über direkte Wechselwirkungen von S100B und p53 kann man davon ausgehen, dass S100B seine Wirkung nicht nur über den Zelloberflächenrezeptor RAGE ausübt, sondern nach einem noch nicht vollständig erforschten Aufnahmemechanismus in die Zelle durch direkte Proteininteraktionen, z. B. wie hier mit dem Protein p53, in den Zellprozess insbesondere im Apoptoseprozess eingreift. Abgesehen von der in dieser Arbeit beschriebenen Herunterregulierung des p53-Proteinlevels in Anwesenheit von S100B, welche die Folge einer proteasomalen Degradation nach Formationsänderung sein kann, sollten die weiteren p53-abhängigen Apoptoseinduktionswege wie eine Veränderung von dessen Transkriptionsaktiviät, Hemmung proapoptotischer Proteine und ein evtl. Einfluss auf die Translokation von sog. Todesrezeptoren an die Zellmembran in Anwesenheit von S100B als evtl. Ursachen des neuroprotektiven Effekts von S100B weiter erforscht werden.
Im Rahmen dieser Arbeit bereits durchgeführte Untersuchungen auf Veränderungen der Expressionsrate von möglichen p53-Zielgenen haben noch keine endgültigen Ergebnisse geliefert. Zum einen ist evtl. die Auswahl der ausgewählten Zielgene nicht ausreichend gewesen und zum anderen besteht eine evtl. Limitation der semiquantitativen RT-PCR Methode gegenüber neueren Methoden wie die quantitative Real-Time-PCR in der Detektion auch kleinerer Expressionsunterschiede (siehe oben). Der Mechanismus der Neuroprotektion kann in diesem Modell abschließend noch nicht vollständig geklärt werden. Weiterführende Untersuchungen sollten den genauen Aufnahmemechanismus von S100B in die Zelle untersuchen, und die neuroprotektiven Schritte nach einer Blockierung/Herunterregulierung von p53 weiter klären.
Untersuchungen zur Expression von Uhrengenen in der kortikotrophen AtT-20-Tumorzelllinie der Maus
(2005)
In den unterschiedlichsten Lebewesen, wie Cyanobakterien, Pilzen, Pflanzen und Tieren können tägliche Rhythmen biologischer Aktivität beobachtet werden, die von einem endogenen zirkadianen Oszillator gesteuert werden. Dieser zirkadiane Oszillator residiert bei Säugern im Nucleus suprachiasmaticus (SCN) des Hypothalamus, unterhält auch unter konstanten Bedingungen einen Rhythmus mit einer Periodenlänge von etwa 24 h und wird unter natürlichen Bedingungen an den täglichen Wechsel der Beleuchtungsverhältnisse über neuronale Signale, die von den Augen kommen, angepasst. Für die Generation dieser endogenen Oszillationen konnte die rhythmische Expression von so genannten Uhrengenen verantwortlich gemacht werden. Nach der heute gültigen Vorstellung bilden diese zusammen mit ihren Proteinprodukten interagierende transkriptionelle-translationale Rückkopplungsschleifen, die für einen vollständigen Durchlauf, bis ein neuer Zyklus beginnt, etwa 24 h brauchen. Dabei aktivieren zwei Transkriptionsfaktoren der bHLH-PAS-Familie, CLOCK und BMAL1, zu Beginn eines zirkadianen Zyklus als Heterodimer über eine hochspezifisches E-Box-Promotorelement die Transkription der Uhrengene Per1-3, Cry1-2 und Rev-Erbα. Im Zytosol bilden die Uhrengenprodukte der CRYs und PERs zusammen mit der Caseinkinase Iε (CKIε) einen heterotrimeren Komplex, der im Kern wiederum die CLOCK-BMAL1-abhängige Transkription blockiert. Überraschend ist, dass nicht nur die Neurone des Schrittmachers im SCN diese Rhythmen endogen produzieren können, sondern auch eine Vielzahl peripherer Zellen, selbst, wenn sie über Jahre in Kultur gehalten wurden. Man nimmt an, dass der Rhythmus peripherer Zellen in vivo sowohl über neuronalen Verbindungen als auch über bisher noch nicht identifizierte humorale Faktoren synchronisiert wird. Es ist bis heute weder geklärt, worin die molekularen Unterschiede peripherer Oszillatoren im Vergleich zum SCN bestehen, noch, wie der Synchronisationsprozess dieser Zellen zu Stande kommt. Auf Grund methodischer Schwierigkeiten bei der Untersuchung des SCN wurde zuletzt vermehrt gefordert, sich diesen Fragen zunächst an Hand eines Modellsystems, wie einer Zellkultur aus immortalisierten Zellen zu nähern. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb untersucht, ob sich die kortikotrophe hypophysäre AtT-20 Tumorzelllinie der Maus prinzipiell für die Erforschung zirkadianer Rhythmen und deren Synchronisation eignet, d.h. ob sie selbst über eine stimulierbare rhythmische Uhrengen-Expression verfügen. Weiterhin sollte eine geeignete Methode gefunden werden, um zirkadiane Rhythmen auf mRNA-Ebene darzustellen. In einem ersten Schritt wurde über RT-PCR Technik erstmals nachgewiesen, dass die essen-tiellen Uhrengene Per1, Per2, Per3, Cry1, Cry2, Bmal1, Clock und CK1ε endogen in AtT-20 Zellen exprimiert werden. Für jedes dieser Gene wurde nun eine Variante der quantitativen Real-Time-PCR (RTQ-PCR), die ΔΔCT-Methode, validiert, die bei hohem Probendurchsatz zuverlässig Expressionsunterschiede wiedergeben kann. Durch Stimulation mit Forskolin, ei-nem Aktivator der Adenylatzyklase, konnte in dieser Arbeit dokumentiert werden, dass kulti-vierte AtT-20 Zellen in der Lage sind, eine rhythmische Expression von Uhrengenen mit einer Periodenlänge von etwa 24 h für mindestens drei Tage zu zeigen. Von allen hier untersuchten Uhrengenen wiesen alle diejenigen eine oszillierende Schwankung des mRNA-Gehaltes auf, die auch im SCN rhythmisch exprimiert werden, namentlich Per1-3, Cry1-2, Bmal1. Im SCN kon-stitutiv exprimierten Uhrengene (Clock, Ck1ε) fluktuieren auch nicht in AtT-20 Zellen. Dar-über hinaus antworteten Zellen auf das hier angewandte Stimulationsprotokoll mit einer initia-len Hochregulierung der Transkription für das Uhrengen Per1, das im SCN eine prominente Rolle bei der Anpassung des endogenen Rhythmus an die exogenen Beleuchtungsverhältnisse spielt und dort als Antwort auf synchronisierende Lichtpulse in ähnlicher Weise induziert wer-den kann. Zeitlich korreliert die Zunahme von Per1-Transkripten – ebenfalls der Situation im SCN entsprechend – mit einer Aktivierung des Transkriptionsfaktors CREB und der Induktion seines molekularen Gegenspielers Icer. Die zeitlich umschriebene Hochregulation der Transkriptionsrate des Repressors Icer während der ersten Stunden nach Applikation des syn-chronisierenden Reizes spricht dafür, dass dieser womöglich in AtT-20, wie auch bereits für Elemente des zirkadianen Systems beschrieben, eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Synchronisationsreizes im molekularen Uhrwerk spielt. Die genaue Analyse der hier erhobenen Expressions-Rhythmen von Uhrengenen und deren zeitliches Verhältnis zueinander deuteten darauf hin, dass in AtT-20 Zellen ein funktionsfähiges zirkadianes Uhrwerk existiert, das dem des SCN in weiten Teilen gleicht. Die Möglichkeiten der Stimulation und Manipulation (z.B. durch Transfektion) erheben AtT-20 Zellen zu einem Modellsystem für die Erforschung der molekularen Abläufe in der zirkadianen Rhythmusgeneration und –synchronisation. Erkenntnisse aus dieser Forschung können in den unterschiedlichsten klinischen Disziplinen wichtige Anwendungsmöglichkeiten finden.
Morbus Parkinson (abgekürzt als PD vom Englischen Parkinson’s disease) ist nach Alzheimer die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung. Die Hauptmerkmale sind Rigidität und Bradykinesie, sowie Tremor und posturale Instabilität. Im Gehirn lässt sich bei Parkinsonpatienten post mortem ein Verlust an Neuronen in der Substantia nigra feststellen, was zu den ersten beiden Anzeichen führt. Zudem gibt es intrazelluläre Einschlüsse in den betroffenen Nervenzellen – Lewy-Körperchen genannt – die aus Alpha-Synuklein und anderen Proteinen wie Ubiquitin zusammengesetzt sind. Außerdem ist der Eisenmetabolismus in Gehirnen von Parkinsonpatienten gestört und man findet Eisen-Ablagerungen, vor allem im Mittelhirn. Die Ursachen für PD sind bislang nicht abschließend geklärt. Der Großteil der Fälle ist sporadischer Natur mit unbekannter Ursache und nur bei einem geringen Anteil liegt eine Mutation in einem einzelnen Gen zugrunde. Die häufigsten Mutationen tritt in den Genen für Alpha-Synuklein (SNCA), PINK1 und PARKIN auf.
Die Serin-Threonin-Kinase PINK1 und die E3-Ubiquitin-Protein-Ligase PARKIN sind zwei Proteine, die in Stresssituationen an der Mitochondrien-Außenmembran am Abbau von alten oder nicht richtig funktionierenden Mitochondrien beteiligt sind. Dieser Vorgang nennt sich Mitophagie.
Die dieser Arbeit zugrunde liegenden Publikationen gehen den Zusammenhängen zwischen mitochondrialen Fehlfunktionen und der Pathogenese von PD nach. Da die Krankheit meist erst im hohen Alter auftritt, davon größtenteils ohne direkte Ursache, liegt der Schluss nahe, dass neben genetischen Ursachen auch Umweltfaktoren eine größere Rolle spielen könnten. Um dies näher zu analysieren, wurden experimentell verschiedene Stressoren eingesetzt.
Insgesamt wurden folgende Aspekte untersucht:
I. Welche Auswirkungen hat das Fehlen von PINK1 auf die Zelle? Gibt es einen Biomarker, der mit höherem Alter immer stärker verändert ist?
II. Welchen Einfluss haben Umweltfaktoren wie veränderte Eisen-Exposition auf die Zelle und was verändert sich beim Fehlen von PINK1?
III. Wie können mitochondriale Fehlfunktionen präferentiell das Nervensystem betreffen, wenn es nicht um respiratorische Insuffizienz geht?
Die einzelnen Studien zeigten folgende Ergebnisse:
Torres-Odio/Key et al. 2017 widmete sich der Suche nach molekularen Biomarkern, wodurch PD präsymptomatisch erkannt und die Progression der Erkrankung eingeschätzt werden kann. Die Transkriptom-Analyse der Kleinhirne von Mäusen mit Pink1-/--Mutation in drei verschiedenen Altersstufen zeigte eindrücklich, dass nicht ein einzelner Faktor immer stärker verändert war, sondern, dass immer mehr Faktoren und daher auch eine steigende Zahl an
Signalwegen mit höherem Alter beteiligt waren. Diese Veränderungen betrafen inflammatorische Signalwege, insbesondere Faktoren, die mit der Erkennung und Verarbeitung von zellfremden Nukleinsäuren assoziiert sind. Aufgrund der evolutionären Herkunft von Mitochondrien als frühere Protobakterien haben mitochondriale Nukleinsäuren und Proteine zum Teil bakterielle Ähnlichkeiten, und könnten bei Fehlfunktionen ins Zytosol gelangen. Vor diesem Hintergrund lassen die Ergebnisse der Studie den Schluss zu, dass das angeborene Immunsystem in Neuronen durch eine PINK1-assoziierte mitochondriale Störung aktiviert wird.
In der Publikation Key et al. 2020 wurde Eisen als ein im täglichen Leben vorkommender Stressor eingesetzt und es wurden systematisch Faktoren des Eisenstoffwechsels bei hohen und niedrigen Eisenspiegeln im Zusammenhang mit Parkinson-Mutationen untersucht. Da Eisen für die Gesundheit von Mitochondrien eine große Rolle spielt und Eisen-Chelatoren als Therapie bei PD Patienten bereits diskutiert werden, haben die molekularen Befunde große Relevanz. Die Ergebnisse zeigen, dass unter niedrigen Eisenspiegeln Proteine reduziert waren, die am Nukleotid-Stoffwechsel beteiligt sind, sowie Faktoren, die Eisen-Schwefel-Cluster als Cofaktoren haben und wichtig für die Nukleotid-Qualitätskontrolle sind. Das Fehlen von Eisen führte zu einer Induktion von Pink1 und Prkn, was auf verstärkte Mitophagie hindeutet. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die mitochondriale Eisen-Schwefel-Cluster Biogenese und die post-transkriptionelle Eisenregulation entscheidend für die Pathogenese von PD, bzw. das gesunde Fortbestehen einer Zelle und letztlich auch eines Organismus sind.
In Key et al. 2019 wurde erstmalig das Gesamt-Ubiquitylom aus Gehirnen von gealterten Parkin-knockout (KO) Mäusen erhoben und analysiert, um Ubiquitylierungs-Substrate von PARKIN zu identifizieren. Hierbei zeigte sich eine veränderte Ubiquitylierung von mehreren Faktoren, die an der zellulären Calcium-Homöostase beteiligt sind. Weitere elektrophysiologische Experimente in Gehirnen von gealterten Parkin-/--KO Mäusen ergaben, dass in Nervenzellen im Locus coeruleus die Geschwindigkeit der spontanen Taktgeber erhöht, dass die langsame Nachhyperpolarisation reduziert und, dass die Dauer der Aktionspotentiale erniedrigt war, ohne Veränderung der Kaliumkanal-Ströme.
Insgesamt geht aus den drei Studien hervor, dass mitochondriale Fehlfunktionen bei dauerhaftem Bestehen weitreichende Folgen für die Gesundheit des Nervensystems haben können, denn auch kleine Veränderungen, seien es durch Mutationen oder Umweltfaktoren wie Eisen, können in einer so großen Lebensspanne wie der des Menschen über Krankheit oder Gesundheit entscheiden!
Morbus Parkinson ist die zweithäufigste neurodegenerativen Erkrankung, die durch Untergang der dopaminergen Neuronen im Mesenzephalon zu einer Störung des extrapyramidalen motorischen Systems führt. Daraus resultierende Bewegungsstörungen, zu denen Rigor, Tremor, Hypokinese und posturale Instabilität gehören, werden von nichtmotorischen Symptomen wie autonome Dysregulation, veränderte sensorische Wahrnehmung, sowie kognitive und psychische Störungen begleitet.
Mehrere Studien berichten über erhöhte Schmerzprävalenz bei Parkinson Patienten. Die genaue Pathogenese der gestörten Schmerzwahrnehmung bleibt unklar. Zusätzlich zu den zentralen Mechanismen entstehen die Schmerzen bei Morbus Parkinson wahrscheinlich durch eine Schädigung der peripheren somatosensorischen und autonomen Neuronen, die sich in sensorischen Defiziten, sowie in erhöhter Schmerzempfindlichkeit manifestieren. Als Korrelat dazu wurden abnormale somatosensorisch evozierte Potenziale, pathologische Ergebnisse in der quantitativen sensorischen Testung und eine Abnahme der Nervenfaserdichte beschrieben.
Ein Schwerpunkt unserer Untersuchungen lag auf der Erforschung von potentiellen Veränderungen von Lipidsignalmolekülen. Eine Reihe von Studien zeigen eine Schmerzlinderung durch Cannabis-Einnahme, sowie eine Tendenz zur Schmerzentwicklung bei Parkinson Patienten mit dem bekannten FAAHPolymorphismus. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Störung im Endocannabinoid-System höchstwahrscheinlich zu erhöhter Schmerzprävalenz bei Morbus Parkinson beiträgt. Eine weitere wichtige Lipid-Gruppe sind Glycosylceramide. Ihr Abbau kann durch heterozygote Mutationen des lipidabbauenden Enzyms Glukocerebrosidase 1 (GBA1) gestört sein. GBA1 Mutationen sind mit der schnell progredienten sporadischen Verlaufsform der Parkinson-Krankheit assoziiert.
Im Rahmen der Studie wurden zwei Kohorten von Parkinson Patienten analysiert. Die 128 Patienten aus Israel wurden im ersten Teil mit 224 jungen gesunden deutschen Probanden verglichen. Im zweiten Teil wurden 50 deutschen Patienten und 50 gesunde altersgleiche Probanden untersucht. Die Schmerzevaluation erfolgte anhand der "Brief Pain Inventory“ und "Neuro Detect“ Fragebögen. Bei allen Probanden wurde quantitative sensorische Testung durchgeführt und die Plasmakonzentrationen der Lipidsignalmoleküle mittels quantitativer HPLC-Tandem-Massenspektrometrie analysiert.
Nach Auswertung der Schmerzevaluation konnte eine erhöhte Schmerzprävalenz bei Parkinson Patienten festgestellt werden. Die Prävalenz betrug 66% im ersten Teil der Studie und 74% in der deutschen Kohorte, im Vergleich zu 40% bei den altersgleichen gesunden Probanden. Ergebnisse der quantitativen sensorischen Testung zeigen einen Verlust der thermischen Empfindung (erhöhte Schwellen) bei der gleichzeitigen mechanischen Überempfindlichkeit (erniedrigte Schwellen). In der multivariaten LipidAnalyse konnten erniedrigte Konzentrationen von Anandamid und Lysophosphatidsäure 20:4 und eine Erhöhung der Glucosylceramide nachgewiesen werden. Diese Veränderungen waren bei Parkinson Patienten mit Schmerzen stärker ausgeprägt. Außerdem wurde eine lineare Korrelation zwischen Glucosylceramiden (GlcCer 18:1, GlcCer 24:1) und der Schmerzintensität, sowie sensorischem Defizit festgestellt.
Nach sorgfältiger Auswertung der Studienergebnisse kommen wir zu der Schlussfolgerung, dass eine Veränderung der Endocannabinoide und der Glucosylceramide zur Pathogenese der Schmerzen und der sensorischen Neuropathie bei Morbus Parkinson beitragen. Die Erkenntnisse könnten zukünftig zur Diagnosestellung durch frühzeitige Erkennung prämotorischer sensorischer Symptome beitragen. Darüber hinaus könnten unsere Ergebnisse zur Therapieoptimierung durch Wiederherstellung der Lipid-Homeostases beitragen.
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...