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Identification of disease modulating compounds in juvenile neuronal ceroid lipofuscinosis (JNCL)
(2016)
Mutationen im CLN3 Gen verursachen die neurodegenerative Erkrankung juvenile neuronale Zeroidlipofuszinose (JNCL). Bei dieser Erkrankung sind die Autophagie, der lysosomale pH Wert und der mitochondriale Metabolismus beeinträchtigt. Störungen dieser Prozesse führen zu einer erhöhten Verletzlichkeit neuronaler Zellen gegenüber alters- und umweltbedingten Schäden, einer Anhäufung von Autophagosomen und lysosomalem Speichermaterial, Zelltod und Neurodegeneration. Um die JNCL zu erforschen bedienen wir uns eines Zellmodels aus der Maus, welches die häufigste krankheitsauslösende CLN3 Mutation im Menschen, die Deletion der Exons 7 und 8, nachbildet. Die aus dem Kleinhirn dieser Mäuse stammenden cerebellaren Körnerstammzellen werden als CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen, solche aus wild-typ Mäusen als CbCln3+/+ Zellen bezeichnet. Die JNCL ist nicht heilbar und die Entwicklung von Wirkstoffen steht noch am Anfang.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Durchführung eines Hochdursatzscreenings um Wirkstoffe zu identifizieren, welche eine Anhäufung von Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen verhindern können. Unter 1750 verschiedenen untersuchten Wirkstoffen konnten wir 28 aktive „Hits“ identifizieren und stellten fest, dass Kalziumkanalblocker, Östrogene und HMG-CoA-Reduktase Inhibitoren gehäuft vertreten waren. Eine sorgfältige Untersuchung die möglichen Interaktionen der aktiven Wirkstoffe mit zellulären Signalwegen und die Analyse ihrer Dosis-Wirkungskurven unterstützte uns bei der Auswahl von Verapamil, Nicardipin und Fluspirilen zur näheren Untersuchung. Diese Wirkstoffe sind Kalziumkanalblocker und Fluspirilen blockt auch D2 Dopaminrezeptoren.
Außerdem untersuchten und quantifizierten wir mitochondriale Phänotypen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen. Unsere Untersuchungen ergaben, dass Mitochondrien in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen einer signifikanten Hyperfusion unterliegen und ein schwächeres Membranpotenzial aufweisen. Weiterhin fanden wir eine Verringerung der maximalen der mitochondrialen Elektronentransportkapazität und eine verringerte Aktivität des Enzyms Zitratsynthase, welches die Effizienz des Zitratzyklus bestimmt.
Fluspirilen, Verapamil und, in geringerem Ausmaß, Nicardipin, verbesserten einige krankheitsbedingte lysosomale und mitochondriale Phänotypen. Des Weiteren konnten Verapamil und Nicardipin, nicht aber Fluspirilen, den erhöhten zellulären Kalziumspiegel in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen absenken. Erniedrigungen im Kalziumgehalt können durch die Inhibition der kalziumabhängigen Protease Calpain 1 zu einer Induktion der Autophagie führen. Wir untersuchten, ob eine chemische Inhibition der Calpain 1-Protease die Anzahl der Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen senkt, und stellten fest, dass dies nicht der Fall ist. Eine Inhibition von Calpain 1 führte lediglich zu einem Anstieg der Zahl zellulärer Autophagosomen. Als Nächstes untersuchten wir die Auswirkung der Wirkstoffbehandlung auf den Autophagiefluss. Verapamil und Nicardipin hatten keinen Einfluss auf den Autophagiefluss in der getesteten Konzentration in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen während Fluspirilen die Autophagie induzierte. Gleichzeitig stellten wir fest, dass hohe Dosen von Nicardipin und Verapamil teilweise vor einem Verlust des lysosomalen pH-Werts durch eine Behandlung mit Bafilomycin A1 schützen konnten. Da Fluspirilen auch ein Dopaminrezeptorblocker ist, untersuchten wir die Auswirkung einer erhöhten Dosis von Dopamin auf die Zahl der Autophagosomen. Wir fanden, dass eine mittlere Dosierung von Dopamin einen Trend zu einer leichten Verringerung von Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen zur Folge hat.
Wir vermuten, dass die Kalziumkanalblocker Verapamil und Nicardipin und der Dopaminrezeptorblocker Fluspirilen unterschiedliche zelluläre Signalwege benutzen, aber letztendlich um ähnliche Botenstoffe verwenden, um die Funktion der Lysosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen zu verbessern. Die Verringerung des intrazellulären Kalziumgehalts durch Verapamil und Nicardipin führt zu einer Aktivierung von Adenylatzyklasen, welche eine Erhöhung des intrazellulären cAMP Spiegels herbeiführen. Fluspirilen inhibiert Dopaminrezeptoren vom Typ D2 (D2DR), was zu einer selektiven Aktivierung von Dopaminrezeptoren des Typs D5 (D5DR) führen könnte. Im Gegensatz zu D2 führen D5D Rezeptoren zu einer Aktivierung von Adenylatzyklasen und einer Erhöhung des cAMP Spiegels. cAMP aktiviert die Protein Kinase A (PKA), welche durch eine Proteinphosphorylierung von lysosomalen Chloridkanälen und Protonenpumpen die lysosomale Aktivität erhöht. Dies führt zu einer Verbesserung des Abbaus von Autophagosomen und lysosomalem Speichermaterial und zu einer verbesserten Zellgesundheit in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen.
Eine Verbesserung der lysosomalen Funktion in der JNCL kann einen wirksamen Therapieansatz ergeben. Wir hoffen, dass die hier vorgestellten Methoden und Ergebnisse einen ersten Schritt in diese Richtung darstellen.
Juvenile neuronal ceroid-lipofuscinosis (JNCL) is a rare lysosomal storage disease in children with lethal outcome and no therapy. The origin of JNCL has been traced to autosomal recessive mutations in the CLN3 gene, and ~85% of the JNCL patients harbor a 1.02 kb deletion that removes the exons 7 and 8 and the surrounding intronic DNA (CLN3Δex7/8). So far, structure, function and localization of the CLN3 protein remain elusive. However, there is strong evidence that CLN3 modulates a process or condition that is essential in many cellular pathways. Lipid metabolism and antero-/retrograde transport, two mechanisms CLN3 was previously implicated in, fulfill these requirements. Notably, also a bioactive group of glycosphingolipids referred to as gangliosides is tightly interrelated with these functions. Furthermore, a-series gangliosides have been shown to be involved in the development and sustenance of the brain, where they are essential for neurite outgrowth and cell survival. Defects in ganglioside metabolism were shown to play a crucial role in many lysosomal storage disorders. However, the contribution of gangliosides to NCL pathology is largely unknown.
The present study analyzed central enzymes and metabolites of the a-series ganglioside pathway in a JNCL cell model. The core finding was, thereby, the reduced amount of the neuroprotective ganglioside GM1 in homozygous CbCln3Δex7/8 cells. This was caused by the enhanced action of the GM1-degrading multimeric enzyme complex and in particular, by the upregulation of protein levels and increased enzyme activity of β-galactosidase (Glb1).
Improved binding of Glb1 to substrate-carrying membranes was provided by an increase in LBPA levels. In combination with other smaller alterations in the ganglioside pattern, a shift towards less complex gangliosides became present. The resulting loss of neuroprotection may be the reason for the multifocal pathology in homozygous CbCln3Δex7/8 cells.
The second part of the present study investigated the cellular mechanisms behind the altered ganglioside profile with regard to the potential role of CLN3. Here, the anterograde transport of GM1 to the plasma membrane presented a positive correlation with the amount of full-length CLN3. In case of the truncated protein this correlation was missing, resulting in reduced PM staining with CTxB-FITC. However, transfection of full-length CLN3 in these cells restored the CTxB-FITC intensity. Based on the neuroprotective role of GM1, the corresponding increase in GM1 levels may be the cause for the restoration effects observed in previous studies using full-length CLN3. Hence, administration of GM1 was expected to improve cell viability of homozygous CbCln3Δex7/8 cells and beyond that to rescue potentially some disease phenotypes. However, no effect could be observed. The reason for this may be reduced caveolar uptake and the mislocalization of ganglioside GM1 to the trans-Golgi network (TGN) and redirection towards degradative compartments.
Both are in line with the idea of an impaired endocytic flux in CLN3 deficiency. The observed localization of CLN3 in the TGN suggests a potential role for CLN3 in the lipid sorting machinery, subsequently altering membrane composition and its regulatory functions. The resulting imbalance may affect many of the cellular processes impaired in JNCL.