Charakterisierung 14-3-3zeta homologer Gene und deren Bedeutung für die Parkinson’sche Erkrankung

Abstract

Die Parkinson’sche Erkrankung ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen und ist auf einen Zelluntergang der dopaminergen Neuronen in der Substantia nigra zurückzuführen. Die Ätiologie des Parkinson-Syndroms ist noch weitgehend ungeklärt, man geht jedoch von einem Zusammenspiel von Umwelt- und genetischen Faktoren aus. Mit der Entdeckung des alpha-Synuklein Gens als Genort für eine autosomal dominante Form der Parkinson’schen Erkrankung wurde der erste wirkliche Beweis für eine familiäre Form der Parkinson’sche Erkrankung erbracht und ein Grundstein für die Suche nach weiteren Kandidatengenen für die Parkinson’sche Erkrankung gelegt. 14-3-3 Proteine spielen eine wichtige Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen. Die Beteiligung an der Parkinson’schen Erkrankung wurde aufgrund der physikalischen und funktionellen Ähnlichkeit zu alpha-Synuklein und der gemeinsamen Rolle bei der Regulation der Dopaminsynthese vermutet. Bei der Untersuchung von zwei neuen 14-3-3 Genen auf Chromosom 10 und Chromosom X mit hoher Homologie zu 14-3-3zeta Isoform wurden zwei Mutationen gefunden. Ein c.95A<G (p.Gln32Arg) Austausch (14-3-3zeta-likeXmut) bei einem sporadischen Parkinson-Patienten und eine Deletion eines Basenpaares (c.98delG, p.Gly33fs) bei einem familiären Parkinson-Patienten mit autosomal dominantem Vererbungsmuster (14-3-3zeta-like10del). Die Mutation im 14-3-3zeta-likeX Protein führte zu einer signifikant erhöhten Anfälligkeit der Zellen gegenüber zellulärem, insbesondere oxidativem, Stress. Da die 14-3-3zeta-like Proteine vorwiegend im Gehirn exprimiert werden und dies das Organ ist welches am sensibelsten auf oxidativen Stress reagiert, dürften diese Stress-Anfälligkeit von großer Bedeutung sein. Wesentlich eindrücklichere Ergebnisse lieferte jedoch die Analyse der 14-3-3zeta-like10 Proteine. Der Funktionsverlust des 14-3-3zeta-like10del-Proteins lässt wenig Zweifel an der pathologischen Wirkung des Proteins. Es konnte gezeigt werden, dass die 14-3-3zeta-like Wildtyp-Proteine eine Chaperon-Funktion besitzen und dass diese Chaperon-Funktion nicht mehr beim mutierten 14-3-3zeta-like10del-Protein vorhanden war. Die Zellen die das mutierte Protein exprimierten zeigten eine deutlich erhöhte Anfälligkeit gegenüber zellulärem Stress. Somit weist der bisherige Stand der 14-3-3zeta-like-Forschung darauf hin, dass die Parkinson’sche Erkrankung bei Trägern der 14-3-3zeta-like10-Mutation durch ein Triplett an Faktoren hervorgerufen wird: Eine fehlenden Chaperon-Funktion, die die Anhäufung von überschüssigem und fehlgefaltetem Protein in der Zelle zur Folge hat, eine Verringerung der Dopamin-Produktion durch die fehlende Interaktion mit der phosphorylierten Tyrosin-Hydroxylase und eine mangelnde Kompensation von oxidativem Stress, die zu schweren Schäden der, gegenüber oxidativem Stress besonders sensiblen, Neuronen führt, bilden pathologische Prozesse, die eine Parkinson’sche Erkrankung hervorrufen können. Somit konnte die funktionelle Relevanz der Mutation eindeutig bewiesen werden und lässt sich gut mit dem autosomal dominanten Vererbungsmuster der Familienanamnese vereinbaren.

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease in humans. The pathogenesis of idiopathic PD is not known, but is thought to be multifactorial, caused by environmental factors acting on genetically predisposed individuals as they age. PD is characterized by the loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra and the presence of protein-containing cytoplasmic inclusions termed Lewy bodies in many of the remaining cells. For PD, an involvement of 14-3-3 proteins has been suggested due to its physical and functional homologies to alpha-synuclein, a protein that is mutated in some rare forms of autosomal dominant PD. 14-3-3 proteins are key regulators of cell division, signalling and apoptosis and act as adaptor molecules that stimulate protein-protein interaction. The highest tissue concentration of 14-3-3 proteins is found in the brain, comprising about 1% of its total soluble protein. 14-3-3 proteins colocalize with Lewy bodies, the pathological hallmark of Parkinson’s disease and have been implicated in the pathogenesis of several neurodegenerative diseases. They bind to tyrosine hydroxylase, the rate-limiting enzyme in dopamine biosynthesis. We screened for mutations in 14-3-3zeta. Here we report the first mutations in 14-3-3 proteins in humans. Investigating two novel 14-3-3 genes with highest homology to the 14-3-3zeta isoform on human chromosome 10 and X, we identified a c.95A<G (p.Gln32Arg) substitution (14-3-3zeta-likeX) in a sporadic patient and a single base pair deletion in 14-3-3zeta-like10 (c.98delG, p.Gly33fs) in a familial case of PD consistent with autosomal dominant inheritance. We confirmed that these mutations are indeed of functional relevance. Cell stress experiments revealed lower proliferation rates in permanent cell lines overexpressing mutant 14-3-3zeta-like proteins compared with cells expressing wild type protein. Mutations in 14-3-3zeta-like protein leads to a disadvantage in overcoming cellular stress. Furthermore 14-3-3zeta-like10 mutant and wild type proteins showed different chaperone activities in a chemical-inducible aggregation assay. For 14-3-3 proteins a chaperone-like function has also been described which is interrupted by the 14-3-3zeta-like10 mutant protein, which underlines the relevance of the mutation. Assuming that 14-3-3zeta has protective function for the cell, it is not surprising that functional mutations leads to a disadvantage in overcoming cellular stress. Finally, wild type 14-3-3zeta-like10 but not the mutant form binds to activate tyrosine hydroxylase, the rate-limiting enzyme in dopamine biosynthesis. In summary, our results show for the first time that functional deleterious heterozygous mutations in 14-3-3 proteins in humans are compatible with life and may play a role in the pathogenesis of PD.