Mutationsanalyse und funktionelle Charakterisierung des Omi/HtrA2-Gens in der Pathogenese der Parkinson-Krankheit

Abstract

Aktuelle Konzepte zur Neurodegeneration bei der Parkinson-Krankheit beeinhalten die Aggregation von fehlgefalteten Proteinen und mitochondriale Dysfunktion. Vor kurzem wurden Omi/HtrA2 knock-out Mäuse beschrieben, die Neurodegeneration und einen Parkinson-ähnlichen Phänotyp aufweisen. Ausgehend von einem Kandidatengenansatz im Bereich des PARK3 Lokus auf Chromosom 2p13, wurden Gene gesucht, die eine Rolle bei der zellulären Stressantwort und Zelltodmechanismen spielen. In der vorliegenden Arbeit konnte zum ersten Mal ein Zusammenhang zwischen Mutationen im Omi/HtrA2-Gen und Neurodegeneration beim Menschen gezeigt werden. In einer Kandidatengen-Untersuchung bei 518 Parkinson-Patienten wurde bei vier Patienten eine neue Mutation in Exon 7 des Omi/HtrA2-Gens gefunden. Diese Mutation führt zu einem Aminosäureaustausch in der PDZ-Domäne des Peptids und konnte bei einer Kontrollgruppe in 740 Chromosomen ausgeschlossen werden. Darüberhinaus konnte ein neuer A141S-Polymorphismus identifiziert werden, der mit der Parkinson-Krankheit assoziiert ist (p<0,05). Beide Aminosäureaustausche führten zu einer reduzierten Protease-Aktivität des Omi/HtrA2-Proteins nach Aktivierung. Immunhistochemische und funktionelle Analysen in stabil transfizierten Zellen zeigten, dass die PDZ-mutierte Form von Omi/HtrA2 und - in geringerem Ausmaß - auch das Risiokoallel des neu identifizierten Polymorphismus zu einer Mitochondriendysfunktion mit veränderter Mitochondrien-Morphologie führen. Dabei waren Zellen, die PDZ-mutiertes Omi/HtrA2 exprimieren empfindlicher gegenüber zellulärem Stress als Zellen, die das Wildtyp-Protein exprimieren. Darüberhinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neu identifizierte homozygote E64D-Mutation bei einer türkischen Familie im DJ-1-Protein funktionell untersucht. Bislang identifizierte Mutationen im DJ-1-Gen weisen darauf hin, dass DJ-1 als Sensor zur Regulation von oxidativem und mitochondrialem Stress dient. Die neu identifizierte E64D-Mutation im DJ-1-Protein führt zu einem Verlust der Proteinstabilität und zu subzellulärer Fehllokalisation von E64D-DJ-1 in Zellkultur in vitro. Diese Ergebnisse zu Mutationen im Omi/HtrA2-Gen und DJ-1-Gen unterstreichen die Bedeutung von mitochondrialer Dysfunktion für die Neurodegeneration bei der Parkinson-Krankheit.

Actual concepts of neurodegeneration in Parkinson’s disease include the aggregation of misfolded proteins and mitochondrial dysfunction. Recently described Omi/HtrA2 knock-out mice display neurodegeneration and a Parkinson-related phenotype. Outgoing from a candidate approach in the PARK3 region on chromosome 2p13 we searched for genes which could play a role in the cellular stress response and cell death mechanisms. In the present work we were able to reveal a connection between mutations in the Omi/HtrA2 gene and neurodegeneration in humans for the first time. In a candidate screen of 518 Parkinson’s patients we discovered a novel mutation in exon 7 of the Omi/HtrA2 gene in the case of 4 patients. These mutation leads to an amino acid change in the PDZ-domain of the peptide and was absent in a control cohort out of 740 chromosomes. Moreover we identified a novel A141S polymorphism which is associated with Parkinson’s disease (p<0.05). Both changes of the amino acids result in a decreased protease activity of the Omi/HtrA2 protein after activation. Immunohistochemical and functional analysis of stably transfected cells revealed that the PDZ-mutated form of Omi/HtrA2 and - in a lesser extend - the risk allele of the newly identified polymorphism lead to mitochondrial dysfunction with abnormal mitochondrial morphology. Thereby cells expressing the PDZ-mutated Omi/HtrA2 were more sensible against cellular stress than cells expressing the wildtype protein. In the context of this work we investigated moreover a newly identified homozygous E64D mutation of a Turkish family in the DJ-1 protein in a functional manner. So far, identified mutations in the DJ-1 gene indicate that DJ-1 serves as a sensor for the regulation of oxidative and mitochondrial stress. The newly discovered E64D mutation in the DJ-1 protein leads to a loss of protein stability and to subcellular mislocalization of E64D DJ-1 in cell culture in vitro. These results of mutations in the Omi/HtrA2 and DJ-1 gene underscore the significance of mitochondrial dysfunction for the neurodegeneration in Parkinson’s disease.