Lysosomal degradation of alpha-Synuclein: Analysis in vivo and in vitro

Abstract

Die Parkinson-Krankheit ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung und betrifft 1-2% der Bevölkerung älter als 55 Jahre. Bis heute sind die Mechanismen der Neurodegeneration in dieser Erkrankung unklar. Vieles deutet auf eine Beteiligung von alpha-Synuclein, ein präsynaptisch hochexprimiertes neuronales Protein. Fehlgefaltetes und aggregiertes alpha-Synuclein stellt die Hauptkomponente von Lewy-Körpern, charakteristischen pathologischen Ablagerungen in Gehirnen von Parkinson Patienten, dar. Insofern stellt die Reduktion der Expression von alpha-Synuclein durch eine erhöhte Degradation ein interessantes therapeutisches Ziel dar. Allerdings sind die genauen Mechanismen dieses intrazellularen Abbaus von alpha-Synuclein unklar. In vitro wird monomeres alpha-Synuclein sowohl proteasomal als auch lysosomal katabolisiert. alpha-Synuclein ist als ein Substrat der Chaperon-vermittelten Autophagie (CMA) beschrieben, ein Prozess in dem zum Abbau vorgesehene Proteine direkt LAMP2A-vermittelt in das Lumen von Lysosomen translozieren. Eine Mutation des CMA-Erkennungsmotivs (deltaCMA) von alpha-Synuclein erhöht dessen Halbwertszeit; ebenso führt eine Reduktion der LAMP2A Expression in primären Neuronen zu erhöhter alpha-Synuclein Expression. Pathogene Mutanten von alpha-Synuclein (A30P, A53T) sind zudem als Inhibitoren des LAMP2A Rezeptors beschrieben und könnten daher den lysosomalen Abbau von alpha-Synuclein hemmen. Das Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen einer CMA-Motiv-Mutation auf dessen Expression in in vitro-und in vivo-Modellen zu untersuchen: (1) Für die in-vitro-Studien sind in induzierbaren Zelllinien (nicht-neuronalen und neuronalen) verschiedene C-terminal verkürzte (deltaCT) alpha-Synuclein Varianten (WT und A53T) mit dem normalen (Wildtyp) oder mutierten CMA-Motiv exprimiert worden (deltaCMA). Durch den Vergleich der kinetischen Abbaukurven des alpha-Synucleins in diesen Zelllinien fanden wir – unerwartet – das die Mutation des CMA-Motivs nicht zu signifikanten Unterschieden in der Kinetik des Abbaus führt. Die zur Kontrolle analysierten Volllängenkonstrukte (Wildtyp und A53T-Mutante) zeigten - in Übereinstimmung mit früheren veröffentlichten Daten – eine verlangsamte Degradation bei der A53T-Mutante (im Vergleich zum Wildtyp Konstrukt). (2) Für die in-vivo-Studien sind zwei transgene Mausmodelle mit Expression von C-terminal verkürzten alpha-Synuclein in zerebellären Purkinje-Zellen (PZ) (Konstrukt 1: A53T-deltaCT, Konstrukt 2: A53T-deltaCMA) generiert wurden. Die Analyse dieser Tiere fand mit histologischen und biochemischen Methoden sowie in Verhaltensexperimenten statt. alpha-Synuclein wurde stark in den präsynaptischen Bereichen der Purkinje-Zellen exprimiert, sowie im Perikaryon und den Neuriten der PZ. Es konnten jedoch keine alpha-Synuclein Aggregate (resistent gegen Proteinase K) erkannt werden; ebenso konnte kein signifikanter Verlust an Purkinje-Zellen nachgewiesen werden. Auch morphologischen Veränderungen der Purkinje-Zellen war nicht nachweisbar. Interessanterweise zeigten transgene Mäuse Beeinträchtigungen im Motorverhaltenstests (Pole Test und Open-Field). Die Korrelation dieser Verhaltensauffälligkeiten mit alpha-Synuclein bleibt unklar. Die in unseren beiden transgenen Linien beobachteten ähnlichen Motorphänotype und sowie fehlende Unterschiede in der alpha-Synuclein Expression legen allerdings nahe, dass die Mutation des alpha-Synuclein CMA Motiv keinen Einfluss auf die Abbaukinetik dieses Proteins in vivo hat. Folglich konnte keine wesentliche pathologische Rolle des CMA-System im in-vivo-Modell nachgewiesen werden. Zusammen genommen zeigen die in vitro und in vivo Daten, dass das CMA-System in Zusammenhang mit der Überexpression eines C-terminal verkürzten alpha-Synuclein keinen Einfluss auf die Abbaukinetik von alpha-Synuclein hat. Das Fehlen einer offensichtlicher Pathologie in unserem Tiermodell begrenzt jedoch die Interpretation der in vivo Daten in Bezug auf eine eventuell unterschiedliche Bildungskinetik aggregierten alpha-Synucleins.