Dokument: Protein homeostasis dysfunction in chronic brain disorders

Titel:	Protein homeostasis dysfunction in chronic brain disorders
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=50980
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20201002-091824-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Marreiros, Rita [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 17,84 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 23.09.2019 / geändert 23.09.2019
Beitragende:	Prof. Dr. med. Korth, Carsten [Gutachter] Prof. Dr. Weggen, Sascha [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Störungen in der Proteinhomöostase können zur Aggregation missgefalteter toxischer Proteinspezies führen und sind mit Proteinkonformationserkrankungen, wie den neurodegenerativen und chronisch mentalen Erkrankungen assoziiert, wobei der exakte Zusammenhang zwischen Proteinaggregation und Krankheitsverlauf bislang unklar ist. Dies ist nicht zuletzt in der phänotypischen Heterogenität der Krankheiten, sowie der dynamischen Natur der Proteinaggregation begründet. Ein Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der Proteinhomöostase ist unumgänglich, um relevante Faktoren für das Entstehen von Proteinaggregationserkrankungen zu definieren. Es ist daher wichtig biologische Ereignisse zu identifizieren, welche die Formierung einer ersten kritischen Masse von aggregierten Proteinen induzieren und zur späteren Akkumulation dieser Proteine während der Erkrankung führen. Für einen kleinen Teil der Proteinkonformationserkrankungen ist bereits eine genetische Grundlage beschrieben, der Großteil der Fälle ist jedoch von sporadischer Natur. Für Letztere wurden Umweltfaktoren wie Mikroben, Luftverschmutzungen oder Schwermetalle als Ursache der Proteinaggregation vermutet. Diese kumulative Dissertation bezieht sich auf drei Arbeiten, welche eine Störung der Proteinhomöostase aus verschiedenen Perspektiven beleuchten. Hierfür wurden sowohl die Proteinassemblierung an sich, als auch die Induktion von Aggregationskeimen durch Pathogene, wie Viren, untersucht (Abbildung 1). Des Weiteren wurden über eine veränderte Proteostasesignatur neue potentielle Biomarker für mentale Erkrankungen definiert. In der ersten Arbeit wird eine alternative Sicht auf Proteinaggregation diskutiert. Hierbei wurde ein ähnlicher Mechanismus sowohl der Assemblierung viraler Kapsidproteine, als auch der krankhaften Aggregation von Proteinen zugrunde gelegt. Die aktuelle Literatur bezüglich der Proteinkonformationserkrankungen, sowie die verschiedenen Sichtweisen auf die virale Kapsidassemblierung wurden zusammengefasst. Die Evidenz, dass zelluläre Wirtsproteine von Viren für die Kapsidzusammensetzung rekrutiert werden wie auch dieMöglichkeit diese Wirtsproteine als neuartiges therapeutischen Ziel zu definieren definieren wurden diskutiert. In der zweiten Arbeit wurde die Frage bearbeitet, inwieweit virale Infektionen Proteinkonformationserkrankungen auslösen können. Der Einfluss einer akuten Influenza A Infektion auf die Störung der Homöostase spezifischer Proteine, die mit Morbus Parkinson (a-synuklein), Schizophrenie (DISC1), Morbus Alzheimer (Tau), sowie der Amyotrophen Lateralsklerose (TDP-43) wurden in vitro und in vivo untersucht. In dopaminergen Neuronen scheint die akute virale Infektion einen Keim für die Bildung von a-synuklein- und DISC1- Aggregaten, jedoch nicht von tau oder TDP-43, zu begünstigen. Diese Befunde wurden durch Ergebnisse aus in vivo Studien in Mäusen gestützt, in denen ein Anstieg der a synuklein-und DISC1-Expression in Influenza-infizierten Gehirnarealen beobachtet wurde. Darüber hinaus konnte der Anti-Influenza-Wirkstoff Oseltamivirphosphat die Influenzainduzierte Aggregation von a-synuklein verhindern. Als Ursache für die virusinduzierte Proteinaggregation wurden Störungen im gezielten Abbau fehlgefalteter Proteine vermutet und untersucht. Hierbei ergab sich, dass Störungen der frühen und späten Autophagie die Aggregation von a-synuklein in der Zelle fördern. Zusammengefasst deuten die Daten darauf hin, dass eine Influenza A Infektion die Proteostase von a-synuklein und DISC1 initial stören kann und somit als potentielle Risikofaktoren für synukleinopathien und DISC1opathien zu berücksichtigen sind. Eine gestörte Proteostase wurde nicht nur bei neurodegenerativen Erkrankungen beschrieben, sondern auch mit chronischen mentalen Erkrankungen (CME) assoziiert, deren biologische Charakterisierung bislang jedoch eine große Herausforderung darstellt. In der dritten Arbeit wurden neue unlösliche und missgefaltete Proteine identifiziert, die exklusiv bei Patienten mit CME auftraten. Dies ermöglicht die Identifikation einer biologisch definierten Untergruppe von Patienten mit CME, jenseits der rein klinischen Diagnose. Mittels eines proteomischen Ansatzes wurde unlösliches Glutamatdecarboxylase 2 (GAD2) Protein in einer Untergruppe von Patienten mit CME mittels biochemischer Fraktionierung von Gehirnmaterial identifiziert. Die hohe Tendenz von GAD2 unlösliche Aggregate zu bilden wurde auch in vitro in Neuroblastomazellen beobachtet. Die hier vorgelegten Studien beleuchten mechanistische Aspekte der initialen Proteinaggregation, sowie einen Umwelteinfluss viraler Natur, der in der Ätiologie und Pathophysiologie von Proteinkonformationserkrankungen beteiligt sein könnte. Darüber hinaus bekräftigen sie, dass veränderte Proteostase die Grundlage für die Definition einer biologischen Signatur von CME bilden kann. Disturbances in protein homeostasis, leading to the accumulation of misfolded toxic species, has been associated with protein conformational disorders. However, the precise cause effect relationship of protein aggregation to disease progression is not yet characterized to molecular detail. Problems are the heterogeneity of the disorders and to the dynamic nature of protein aggregation. Understanding the mechanisms behind the protein homeostasis disruption is crucial to better define the relevant factors in the progression of protein aggregation disorders, such as neurodegenerative diseases (NDs) and chronic mental illnesses (CMIs). The factors that might trigger the formation of the first critical mass that later accumulates as protein inclusions in protein conformational disorders remain unknown. A strong gene-disease association has been described, however, in the majority of the cases, it is the sporadic form of the disease is most prevalent. For example, it has been hypothesized that environmental factors, such as microbes, air pollutants, or heavy metals, might have an enhanced seeding effect for protein aggregation. In this cumulative dissertation, built around three major manuscripts, we addressed the protein homeostasis disruption from several perspectives. We discussed the assembly of protein aggregates, and the effect of a pathogen such as a virus was investigated as a possible ‘seed' for protein misfolding disorders. We were also interested in identifying new biological markers for mental illnesses based in an aberrant proteostasis signature. In chapter 1 (page 25), we discussed an alternative view in the assembly of protein aggregates since similarities between virus capsid assembly and the protein aggregation had been suggested. We review current literature in protein conformational disorders and current perspectives in the viral capsid assembly. The evidence that cellular host factors are used for catalyzing virus capsid assembly and protein aggregates is discussed, as well as which host factors this could be. In chapter 2 (page 36), we raise the question whether viral infections could be a real threat in protein misfolding disorders. We investigated the relevance of acute influenza A infection in the homeostasis disruption of distinct proteins associated with Parkinson’s disease (PD), schizophrenia (SCZ), Alzheimer’s disease (AD), and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) in an in vitro and in vivo context. In dopaminergic-like neurons, the acute viral infection seems to ‘seed’ a-synuclein (a-syn) and Disrupted in Schizophrenia 1 (DISC1) aggregates, but neither tau or TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43). These findings were corroborated in vivo by an increase in a-syn and DISC1 expression in the influenza-infected brain areas. Besides, oseltamivir phosphate - an anti-influenza drug, proved to prevent a-syn influenzainduced aggregation. Disturbances in a protein clearance pathway were the proposed mechanism for the accumulation of misfolded proteins upon viral infection. Accordingly, impairment in early- and late- autophagy that might promote the accumulation of a-syn in the cell was observed. Our data suggested that influenza A can be the initial trigger for seeding of a-syn and DISC1. We consider that viral infections might be taken into consideration as a future risk factor for synucleinopathies and DISC1opathies. Aberrant protein homeostasis was also described to be associated with subsets of chronic psychiatry disorders. In chapter 3 (page 84), we described the identification of insoluble proteins exclusively present in CMIs patients post mortem brains. The main question was to address if, misfolded proteins could be a biological signature of CMIs patient subsets crossing clinical diagnostic boundaries. Using a proteomic approach, we found insoluble glutamate decarboxylase 2 (GAD2) in a subset of CMIs patients. These findings were confirmed by biochemical fractionation of individual brain samples from disease patients and corroborated in an in vitro model (neuroblastoma cells) where a high tendency of GAD2 to aggregate was observed. The present studies highlight a mechanistic aspect of initial aggregate formation, an environmental insult that might be involved in the etiology and pathophysiology of misfolded disorders, and emphasize that aberrant protein homeostasis could be a biological signature for a subset of chronic mental illnesses.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Neuropathologie
Dokument erstellt am:	02.10.2020
Dateien geändert am:	02.10.2020
Promotionsantrag am:	19.07.2019
Datum der Promotion:	12.09.2019