Refine
Document Type
- Article (5)
- Doctoral Thesis (1)
Language
- English (6)
Has Fulltext
- yes (6)
Is part of the Bibliography
- no (6)
Keywords
- Parkinson’s disease (3)
- Alpha-synuclein (1)
- Autophagy (1)
- Biomarkers (1)
- Cancer (1)
- Complexin 1 (1)
- Complexin-1 (1)
- Foxp1 (1)
- LAMP3 (1)
- Lysosome (1)
Institute
- Medizin (5)
- Biowissenschaften (3)
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.
The family of lysosome-associated membrane proteins (LAMP) includes the ubiquitously expressed LAMP1 and LAMP2, which account for half of the proteins in the lysosomal membrane. Another member of the LAMP family is LAMP3, which is expressed only in certain cell types and differentiation stages. LAMP3 expression is linked with poor prognosis of certain cancers, and the locus where it is encoded was identified as a risk factor for Parkinson's disease (PD). Here, we investigated the role of LAMP3 in the two main cellular degradation pathways, the proteasome and autophagy. LAMP3 mRNA was not detected in mouse models of PD or in the brain of human patients. However, it was strongly induced upon proteasomal inhibition in the neuroblastoma cell line SH-SY5Y. Induction of LAMP3 mRNA following proteasomal inhibition was dependent on UPR transcription factor ATF4 signaling and induced autophagic flux. Prevention of LAMP3 induction enhanced apoptotic cell death. In summary, these data demonstrate that LAMP3 regulation as part of the UPR contributes to protein degradation and cell survival during proteasomal dysfunction. This link between autophagy and the proteasome may be of special importance for the treatment of tumor cells with proteasomal inhibitors.
Hereditary Parkinson’s disease (PD) can be triggered by an autosomal dominant overdose of alpha-Synuclein (SNCA) as stressor or the autosomal recessive deficiency of PINK1 Serine/Threonine-phosphorylation activity as stress-response. We demonstrated the combination of PINK1-knockout with overexpression of SNCAA53T in double mutant (DM) mice to exacerbate locomotor deficits and to reduce lifespan. To survey posttranslational modifications of proteins underlying the pathology, brain hemispheres of old DM mice underwent quantitative label-free global proteomic mass spectrometry, focused on Ser/Thr-phosphorylations. As an exceptionally strong effect, we detected >300-fold reductions of phosphoThr1928 in MAP1B, a microtubule-associated protein, and a similar reduction of phosphoSer3781 in ANK2, an interactor of microtubules. MAP1B depletion is known to trigger perturbations of microtubular mitochondria trafficking, neurite extension, and synaptic function, so it was noteworthy that relevantly decreased phosphorylation was also detected for other microtubule and microfilament factors, namely MAP2S1801, MARK1S394, MAP1AT1794, KIF1AS1537, 4.1NS541, 4.1GS86, and ADD2S528. While the MAP1B heavy chain supports regeneration and growth cones, its light chain assists DAPK1-mediated autophagy. Interestingly, relevant phosphorylation decreases of DAPK2S299, VPS13DS2429, and VPS13CS2480 in the DM brain affected regulators of autophagy, which are implicated in PD. Overall, significant downregulations were enriched for PFAM C2 domains, other kinases, and synaptic transmission factors upon automated bioinformatics, while upregulations were not enriched for selective motifs or pathways. Validation experiments confirmed the change of LC3 processing as reflection of excessive autophagy in DM brain, and dependence of ANK2/MAP1B expression on PINK1 levels. Our new data provide independent confirmation in a mouse model with combined PARK1/PARK4/PARK6 pathology that MAP1B/ANK2 phosphorylation events are implicated in Parkinsonian neurodegeneration. These findings expand on previous observations in Drosophila melanogaster that the MAP1B ortholog futsch in the presynapse is a primary target of the PARK8 protein LRRK2, and on a report that MAP1B is a component of the pathological Lewy body aggregates in PD patient brains. Similarly, ANK2 gene locus variants are associated with the risk of PD, ANK2 interacts with PINK1/Parkin-target proteins such as MIRO1 or ATP1A2, and ANK2-derived peptides are potent inhibitors of autophagy.
Complexin-1 and foxp1 expression changes are novel brain effects of
alpha-synuclein pathology
(2014)
As the second most frequent neurodegenerative disorder of the aging population, Parkinson’s disease (PD) is characterized by progressive deficits in spontaneous movement, atrophy of dopaminergic midbrain neurons and aggregation of the protein alpha-synuclein (SNCA). To elucidate molecular events before irreversible cell death, we studied synucleinopathy-induced expression changes in mouse brain and identified 49 midbrain/brainstem-specific transcriptional dysregulations. In particular complexin-1 (Cplx1), Rabl2a and 14-3-3epsilon (Ywhae) downregulation, as well as upregulation of the midbrain-specific factor forkhead box P1 (Foxp1) and of Rabgef1, were interesting as early mRNA level effects of alpha-synuclein triggered pathology. The protein levels of complexin-1 were elevated in midbrain/brainstem tissue of mice with A53T-SNCA overexpression and of mice with SNCA-knockout. The response of CPLX1 and Foxp1 levels to SNCA deficiency supports the notion that these factors are regulated by altered physiological function of alpha-synuclein. Thus, their analysis might be useful in PD stages before the advent of Lewy pathology. Because both alpha-synuclein and complexin-1 modulate vesicle release, our findings support presynaptic dysfunction as an early event in PD pathology.
Hereditary Parkinson’s disease can be triggered by an autosomal dominant overdose of alpha-Synuclein (SNCA) or the autosomal recessive deficiency of PINK1. We recently showed that the combination of PINK1-knockout with overexpression of A53T-SNCA in double mutant (DM) mice potentiates phenotypes and reduces survival. Now we studied brain hemispheres of DM mice at age of 18 months in a hypothesis-free approach, employing a quantitative label-free global proteomic mass spectrometry scan of posttranslational modifications focusing on methyl-arginine. The strongest effects were documented for the adhesion modulator CMAS, the mRNA decapping/deadenylation factor PATL1, and the synaptic plasticity mediator CRTC1/TORC1. In addition, an intriguing effect was observed for the splicing factor PSF/SFPQ, known to interact with the dopaminergic differentiation factor NURR1 as well as with DJ-1, the protein responsible for the autosomal recessive PARK7 variant of PD. CRTC1, PSF, and DJ-1 are modulators of PGC1alpha and of mitochondrial biogenesis. This pathway was further stressed by dysregulations of oxygen sensor EGLN3 and of nuclear TMPO. PSF and TMPO cooperate with dopaminergic differentiation factors LMX1B and NURR1. Further dysregulations concerned PRR18, TRIO, HNRNPA1, DMWD, WAVE1, ILDR2, DBNDD1, and NFM. Thus, we report selective novel endogenous stress responses in brain, which highlight early dysregulations of mitochondrial homeostasis and midbrain vulnerability.
Parkinson's disease (PD) is a frequent neurodegenerative process in old age. Accumulation and aggregation of the lipid-binding SNARE complex component α-synuclein (SNCA) underlies this vulnerability and defines stages of disease progression. Determinants of SNCA levels and mechanisms of SNCA neurotoxicity have been intensely investigated. In view of the physiological roles of SNCA in blood to modulate vesicle release, we studied blood samples from a new large pedigree with SNCA gene duplication (PARK4 mutation) to identify effects of SNCA gain of function as potential disease biomarkers. Downregulation of complexin 1 (CPLX1) mRNA was correlated with genotype, but the expression of other Parkinson's disease genes was not. In global RNA-seq profiling of blood from presymptomatic PARK4 indviduals, bioinformatics detected significant upregulations for platelet activation, hemostasis, lipoproteins, endocytosis, lysosome, cytokine, Toll-like receptor signaling and extracellular pathways. In PARK4 platelets, stimulus-triggered degranulation was impaired. Strong SPP1, GZMH and PLTP mRNA upregulations were validated in PARK4. When analysing individuals with rapid eye movement sleep behavior disorder, the most specific known prodromal stage of general PD, only blood CPLX1 levels were altered. Validation experiments confirmed an inverse mutual regulation of SNCA and CPLX1 mRNA levels. In the 3′-UTR of the CPLX1 gene we identified a single nucleotide polymorphism that is significantly associated with PD risk. In summary, our data define CPLX1 as a PD risk factor and provide functional insights into the role and regulation of blood SNCA levels. The new blood biomarkers of PARK4 in this Turkish family might become useful for PD prediction.