Synucleins are highly conserved presynaptic proteins with unknown function. α-synuclein plays a key role regulating dopamine homeostasis and is intimately involved in Parkinson’s disease (PD) pathogenesis. However, the normal/pathological role of α-synuclein remains unidentified. Studies exploring its function are limited as current transgenic mouse models do not fully recapitulate PD pathology. This thesis reports the functional characterisation of two novel synuclein-based mouse models. I report the molecular and functional characterisation of transgenic mouse lines with wild-type or A30P-mutant human α-synuclein genomic locus carried within a bacterial artificial chromosome. SNCA-A30P^+Snca-/- mice exhibited a highly physiologically relevant expression pattern of the transgene, including expression in the substantia nigra pars compacta (SNpc) and a specific, age-related loss of TH^+ cells in the SNpc, the key region of preferential cell loss in PD, compared with non-transgenic Snca -/- littermate controls. Analysis of dopamine signalling using fast-scan cyclic voltammetry (FCV) showed young adult SNCA-A30P^+Snca-/- mice had an approximately 20% lower evoked extracellular dopamine concentration ([DA]o) compared with non-transgenic Snca -/- littermate controls, a decrease specific to the dorsal striatum. This difference diminished with age and could not be attributed to changes in dopamine reuptake/content. I detail the behavioural and neurochemical phenotype in mice lacking all three synucleins (α/β/γ). Functional compensation between synucleins emphasises the importance of studying their effects by removing all three proteins simultaneously. Triple-null mice exhibited hyperactivity in a novel environment reminiscent of a hyperdopaminergic-like phenotype, but showed no phenotype in anxiety or motor related tests. FCV revealed synuclein triple-null mice had a two-fold increase in [DA]o, specific to the dorsal striatum and not attributable to changes in dopamine reuptake/content, changes in striatal nicotinic receptor activity nor calcium-dependent changes in dopamine exocytosis. Together, the analysis from these two novel mouse models reveal synucleins play an important role in altering synaptic function in the dorsal striatum (the region selectively affected in PD) and contributes to growing evidence suggesting synucleins are negative regulators of synaptic dopamine release.

No description available.

L'agrégation de l'α-synucléine (α-syn) est au coeur du processus pathologique observé dans la maladie de Parkinson ou l'atrophie multi systèmatisée. La β-synucléine (β-syn) ressemble à l'α-syn mais pourrait avoir un rôle neuroprotecteur en inhibant l'agrégation de l'α- syn. Le but de cette thèse était de mettre en place et de tester chez la souris une stratégie thérapeutique visant à inhiber l'agrégation de l'α-syn en faisant exprimer la β-syn humaine via des vecteurs viraux adéno-associés (AAV). Nous avons d'abord caractérisé un modèle de synucléinopathie, la souris transgénique M83. Ces souris expriment l'α-syn humaine mutée en A53T, et développent une pathologie sévère associée à l'agrégation de l'α-syn. Nos résultats confirment le fait que l'agrégation de l'α-syn peut se propager à partir de l'injection périphérique de forme agrégée de la protéine, vers le système nerveux central. De plus, ils montrent que l'accumulation de l'α-syn pathologique chez la souris M83 malade dépend de l'inoculum utilisé pour accélérer leur pathologie et du niveau d'expression de l'α-syn mutée en A53T chez ces souris. Les essais de thérapie génique réalisés dans ce modèle M83 suggèrent que, quelle que soit la stratégie d'injection du vecteur AAV utilisée, la β-syn n'a pas eu d'effet protecteur détecté contre l'agrégation de l'α-syn. Une expression durable de la protéine β-syn humaine chez les souris M83 malades inoculées avec le vecteur AAV véhiculant le gène de la β-syn a pourtant été confirmée. Cependant, la β-syn pourrait s'être agrégée dans nos conditions expérimentales, comme cela a été précédemment décrit, ce qui pourrait peut-être expliquer l'absence d'effet protecteur détecté / The aggregation of α-synuclein (α-syn) is central in the pathological process observed in Parkinson’s disease or multiple system atrophy. Β synuclein (β-syn) shares some similarities with α-syn but may have a neuroprotective effect by inhibiting the aggregation of α-syn. The goal of this thesis was to develop and to test a therapeutical strategy potentially able to inhibit the aggregation of α-syn by expressing human β-syn using adeno-associated vectors (AAV). First, we characterized a model of synucleinopathy, the M83 transgenic mouse. These mice express the human A53T mutated α-syn and develop a severe disease associated with the aggregation of α-syn. Our results confirm the ability of the aggregation of α-syn to spread through the central nervous system following a peripheral injection of aggregates of α-syn. Furthermore, they show that the accumulation of pathological α-syn in sick M83 mice depends on the inoculum used to accelerate their disease and the expression level of human A53T mutated α-syn in these mice. Gene therapy trials realized in the M83 model suggest that, regardless the strategy used to inject AAV vector, β syn did not have a protective effect against the aggregation of α-syn. A lasting expression of the human β-syn protein was however detected in sick M83 mice injected with AAV vector carrying human β-syn gene. Nevertheless, β-syn could have aggregated in our specific experimental conditions, as this has already been described, which might explain the absence of protective effect detected

Der Morbus Parkinson bzw. das idiopathische Parkinson-Syndrom ist pathophysiologisch durch eine progressive Degeneration der dopaminergen Neurone in der Substantia nigra und im Locus coeruleus charakterisiert. Obwohl die genaue Ursache der Erkrankung bis heute unbekannt ist, wird eine multifaktorielle Genese bei polygenetischer Prädisposition angenommen. Des Weiteren liefert die sogenannte Braak-Hypothese eine mögliche Kausalkette. Diese Hypothese besagt, dass unbekannte Erreger die Fehlfaltung von physiologischem α-Synuclein im peripheren Nervensystem, insbesondere auch im enterischen Nervensystem, initiieren können, welche sich dann retrograd durch axonalen Transport über den Nervus vagus zu dem dorsalen motorischen Kern des Nervus vagus ausbreitet. Von dort werden zusätzliche Hirnregionen, einschließlich der Substantia nigra, beeinträchtigt. Es wird vermutet, dass diese neuronale α-Synuclein-Aggregation im Gehirn ein zentraler Bestandteil der Pathogenese des Morbus Parkinson darstellt. Als histopathologisches Korrelat des Morbus Parkinson können in der Substantia nigra sogenannte Lewy-Körperchen im Zytoplasma der Nervenzellen nachgewiesen werden, die aus intrazellulären Proteinablagerungen und hauptsächlich aus unlöslichem und aggregiertem α-Synuclein bestehen. α-Synuclein-Aggregate im Magen-Darm-Trakt wurden als potenzieller Biomarker für die Früherkennung eines Morbus Parkinson vorgeschlagen. Postuliert wurde hier, dass die α-Synuclein-Pathologie im Darm zeitlich bereits vor der Pathologie in der Substantia nigra nachweisbar ist. Studien, die diese Hypothese weiter untersuchten, führten jedoch zu divergierenden Ergebnissen. Die Zielsetzung der vorgelegten Studie war es, Ablagerungen des α-Synucleins und des phosphorylierten α-Synucleins im menschlichen Gastrointestinaltrakt mithilfe von Immunhistochemie zu untersuchen, um eine Aussage darüber treffen zu können, ob α-Synuclein als potenzieller prädiktiver Biomarker für die Erkrankung geeignet sein könnte. Verwendet wurden hierzu einerseits Antikörper gegen natives α-Synuclein und andererseits Antikörper gegen das an Serin 129 phosphorylierte α-Synuclein, welche die pathologische, aggregierte Form des Proteins besser darstellt. Es sollte festgestellt werden, ob sich die Prävalenz der (phosphorylierten) α-Synuclein-Ablagerungen im Darm von Parkinson-Patienten und Kontrollpatienten unterscheiden. Eine mangelnde Spezifität des Antikörpers gegen das phosphorylierte α-Synuclein wurde dabei durch die Implementierung eines Kontrollexperiments mit einer proteolytischen Vorbehandlung an Gewebeproben histopathologisch bestätigter Parkinson-Patienten ausgeschlossen. In dieser retrospektiven Studie wurde die α-Synuclein-Expression in post-mortem entnommenen Hirn-, Dünn- und Dickdarmproben von 25 neuropathologisch bestätigten Parkinson-Patienten und 20 alters- und geschlechtsspezifisch abgestimmten Kontrollpatienten untersucht. Die Immunoreaktivität wurde durch einen neuen Ansatz quantifiziert, der die detaillierte Bewertung von a-Synuclein-positiven morphologischen Strukturen des enterischen Nervensystems beinhaltet. Alle immungefärbten Schnitte wurden von zwei Untersuchern unabhängig evaluiert. Beide waren bezüglich der Gruppenzuordnung (Gewebeproben von Parkinson-Patienten oder von Kontrollpatienten) verblindet. Zu diesem Zweck wurden von jedem Präparat jeweils 10 zufällig ausgewählte, nicht selektive mikroskopische Bilder/HPF (High-power Fields) in einer 100-fachen Vergrößerung aufgenommen. Insgesamt wurden 1620 HPFs von jedem Untersucher hinsichtlich einer positiven Immunoreaktivität in den drei morphologischen Strukturen „Nervenfasern/Einzelfasern“, „Plexus“ und „Ganglienzellen“ beurteilt. Die Auswertung der Ergebnisse ergab, dass die Immunoreaktivität von α-Synuclein und phosphoryliertem α-Synuclein bei Parkinson-Patienten im Vergleich zu den Kontrollen in fast jeder der untersuchten morphologischen Strukturen signifikant reduziert war. Bis auf die Einzelfasern im Dickdarm bei der immunhistochemischen Färbung mit Antikörper gegen nativem α-Synuclein, sah man durchgehend signifikant weniger Immunoreaktivität in den verschiedenen morphologischen Strukturen im Darmgewebe der Parkinson-Patienten verglichen zu denen der Kontrollpatienten. Der immunhistochemische Nachweis von α-Synuclein und phosphoryliertem α-Synuclein scheint demzufolge ein häufiger und potenziell normaler Befund zu sein. Weder α-Synuclein noch phosphoryliertes α-Synuclein kann daher als molekularer Biomarker der Parkinson-Pathologie betrachtet werden. Die reduzierte intestinale Immunoreaktivität bei Parkinson-Patienten spiegelt eher die Parkinson-bedingte neuronale Degeneration wider. Das Resultat dieser Studie legt nahe, dass der Nachweis von α-Synuclein- und phosphoryliertem α-Synuclein in intestinalen Nervenfasern, dem intestinalen Plexus und intestinalen Ganglienzellen einem Normalbefund entspricht und nicht einer Morbus Parkinson-assoziierten Pathologie. Als bis heute größte Post-mortem-Studie, welche α-Synuclein und phosphoryliertes α-Synuclein in Gewebeproben des Gastrointestinaltraktes von histopathologisch bestätigten Parkinson-Patienten untersuchte, liefert die vorliegende Studie einen wichtigen Beitrag zur Erforschung von α-Synuclein im Gastrointestinaltrakt bei Parkinson-Patienten. Der Nachweis von α-Synuclein in gastrointestinalem Gewebe erscheint für die Diagnostik, insbesondere für die klinische Prädiktion einer Parkinson-Krankheit, ungeeignet.:1. Einführung 1.1. Morbus Parkinson 1.2. Ätiologie und Epidemiologie des idiopathischen Parkinson-Syndroms 1.3. Neuropathologie des idiopathischen Parkinson-Syndroms 1.4. α-Synuclein und phosphoryliertes α-Synuclein 2. Die Bedeutung von (phosphoryliertem) α-Synuclein als molekularer Biomarker bei Morbus Parkinson: aktuelle Studienlage 3. Ableitung der Rationale für die publizierte Studie 3.1. Grundlagen 3.2. Studienziele 3.2.1. Nachweis von α-Synuclein und phosphoryliertem α-Synuclein im Dünndarm und Dickdarm von Parkinson-Patienten und Kontrollpatienten 3.2.2. Vergleich von α-Synuclein und phosphoryliertem α-Synuclein im Dünndarm und Dickdarm von Parkinson-Patienten und Kontrollpatienten 4. Methodik 4.1. Patientenkollektiv 4.2. Gewebeverarbeitung 4.3. Immunhistochemie 4.3.1. α-Synuclein 4.3.2. phosphoryliertes α-Synuclein 4.4. Beurteilung der immunhistochemischen Färbung und Quantifizierung der morphologischen Strukturen 5. Publikationsmanuskript 6. Zusammenfassung der Arbeit 7. Literaturverzeichnis Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit Lebenslauf Danksagung

No description available.

No description available.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, um Lipiddomänen, die Bindungsorte peripherer und integraler Membranproteine darstellen können, zu charakterisieren. Insbesondere wurde die Analyse der Fluoreszenzlebenszeiten von NBD-markierten Lipidanaloga benutzt, um Lipiddomänen in Giant unilamellar vesicles (GUV) und darauf aufbauend, in der Plasmamembran von Säugerzellen zu untersuchen. Das typische Zeitfenster von Fluoreszenzlebenszeiten im Bereich von Nanosekunden ermöglicht es, auch sehr kurzlebige Lipiddomänen nachzuweisen. Mit Hilfe des Fluorescence lifetime imaging (FLIM) wurden für die liquid disordered (ld) und liquid ordered (lo) Domänen in GUV jeweils spezifische Werte für das Abklingen der Fluoreszenz gemessen. Sogar die Existenz von submikroskopischen Domänen in GUV konnte nachgewiesen werden. Die Fluoreszenzlebenszeit des Lipidanalogs C6-NBD-PC zeigte in der Plasmamembran von Säugerzellen eine breite Verteilung. Dies legt in Übereinstimmung mit FLIM-Experimenten an aus der Plasmamembran von HeLa-Zellen gewonnenen Giant vesicles nahe, dass in der Plasmamembran von Zellen eine Vielzahl verschiedener submikroskopischer Lipiddomänen existiert. Darauf aufbauend wurde die Fluoreszenzmikroskopie an GUV angewendet, um die Bindung von fluoreszenzmarkiertem alpha-Synuclein an mittels FLIM charakterisierte Lipiddomänen zu untersuchen. Die Experimente zeigten, dass das Protein mit hoher Affinität an negativ geladene Phospholipide unter der Vorraussetzung bindet, dass diese sich in ld Domänen befinden. Im Gegensatz dazu erfolgt keine Bindung wenn diese Lipide in lo Domänen lokalisiert sind. Im Vergleich zum wildtypischen alpha-Synuclein zeigte die Variante A30P eine geringere Affinität zur Membran, während die E46K-Variante eine stärkere Bindung zeigte. Dies deutet darauf hin, dass bei den erblichen Formen des Morbus Parkinson eine veränderte Assoziation des alpha-Synucleins mit der Membran eine Rolle spielen kann. / In the present study a novel approach to characterize lipid domains, which may provide binding sites for peripheral or integral membrane proteins, is demonstrated. In particular, analysis of fluorescence lifetimes of NBD-labeled lipid analogues was used to study lipid domains in Giant unilamellar vesicles (GUV) and – based on the GUV results – in the plasma membrane of mammalian cells. As fluorescence decays in a few nanoseconds it is possible to to detect also very short-lived lipid domains. Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) revealed that the fluorescence decay of NBD-lipid analogues showed domain dependent decay times in the liquid disordered (ld) and the liquid ordered (lo) phase of GUV. Even the existence of submicroscopic domains in lipid membranes could be detected by FLIM. A broad distribution of the fluorescence lifetime was found for C6-NBD-PC inserted in the plasma membrane of mammalian cells. In agreement with FLIM studies on lipid domain forming Giant vesicles derived from the plasma membrane of HeLa-cells this may suggest that a variety of submicroscopic lipid domains exists in the plasma membrane of intact mammalian cells. Based on that, fluorescence microscopy was used on GUV to study the binding of fluorescently labeled alpha-synuclein at lipid domains previously characterized by FLIM. The experiments suggested that alpha-synuclein binds with high affinity to negatively charged phospholipids, when they are embedded in a ld as opposed to a lo environment. When compared with wildtype alpha-synuclein, the disease-causing alpha-synuclein variant A30P bound less efficiently to anionic phospholipids, while the variant E46K showed enhanced binding. This suggests that an altered association of alpha-synuclein with membranes may play a role in the inherited forms of Parkinson’s disease.

Morbus Parkinson (PD) ist eine Bewegungsstörung die durch intrazelluläre Einschlüsse, sogenannte Lewy Bodies, charakterisiert ist. Das synaptische Protein alpha-Synuclein (alpha-Syn) und Polyubiquitin sind Hauptkomponenten von Lewy Bodies. Das Ziel dieser Arbeit war es erstens herauszufinden ob alpha-Syn die proteolytische Aktivität des Proteasoms beeinflusst und zweitens die Auswirkungen der Proteasominhibition auf die Löslichkeit und Lokalisation von alpha-Syn zu prüfen. alpha-Syn inhibierte in vitro reversibel die 20S Proteasomenaktivität während in vivo alpha-Syn Überexpression weder in Neuroblastoma- (SH-SY5Y und SK-N-BE), HEK293 Zellen, noch in alpha-Syn transgenen Mäusen die Aktivität beeinflusste. Umgekehrt wurde der Einfluss pharmakologischer Proteasominhibition (mit MG132 und Epoxomicin) auf die Löslichkeit von alpha-Syn in SH-SY5Y Zellen untersucht. Diese Behandlung führte nicht zur Aggregation von alpha-Syn, wie sie in PD beobachtet wird, jedoch zu einer Verschiebung von mehr löslichem zu mehr membrangebundenem alpha-Syn in Zellen mit endogenem (mock) und mit WT alpha-Syn transfizierten Zellen. Diese Behandlung führte auch zur Aussparung von alpha-Syn und Polyubiquitin im Zellkern und zu cytoplasmatischen alpha-Syn-Einschlüssen ohne Polyubiquitin in einem geringen Anteil der Zellen. Die Kombination aus Proteasominhibition und Serum-Depletion, welches in den Zellen zu oxidativem Stress führen kann, verursachte die Bildung von höhermolekularem alpha-Syn im Western Blot, vergleichbar mit jenem, was in Lewy Bodies gefunden wird. Diese Daten zeigen, dass hohe Konzentrationen an alpha-Syn in vitro die Proteasomfunktion beeinflussen kann, dass dies in unseren Modellsystemen aber nicht in vivo geschieht. Außerdem führt Proteasominhibition zu strukturellen Veränderungen von alpha-Syn. Jedoch muss mehr als eine krankhafte Bedingung (z.B. oxidativer Stress und Proteasominhibition) vorhanden sein, um pathologische Veränderungen zu induzieren. / Parkinson’s disease (PD) is a movement disorder characterized by the appearance of inclusions known as Lewy bodies. The synaptic protein alpha-synuclein (alpha-syn) and polyubiquitin are major components of Lewy bodies. The objective of this study was, firstly, to evaluate whether alpha-syn inhibits proteolytic function of the proteasome and, secondly, to determine the effects of proteasome inhibition on alpha-syn solubility and localization. alpha-Syn inhibited 20S proteasome activity reversibly in vitro, while alpha-syn overexpression did not affect activity in neuroblastoma (SH-SY5Y and SK-N-BE) or HEK293 cells nor in alpha-syn transgenic mice in vivo. A reciprocal approach was used to analyze the effects of pharmacological proteasome inhibition (with MG132 and epoxomicin) on alpha-syn solubility in SH-SY5Y cells. This treatment did not lead to alpha-syn aggregation, as seen in PD. However, it induced a shift from more soluble alpha-syn toward more membrane bound alpha-syn in endogenous (mock) and WT alpha-syn transfected cells. This treatment also led to the clearing of nuclei of alpha-syn and ubiquitin, as well as to cytoplasmic alpha-syn inclusions devoid of polyubiquitin in a small percentage of the cells. The combination of proteasome inhibition with serum deprivation, which is known to produce oxidative dysfunction, caused the appearance of high molecular weight alpha-syn species, such as those found in Lewy bodies. So far these data suggest that, although not observed in our in vivo models, high concentrations of alpha-syn can interfere with proteasome function under certain conditions, while proteasome inhibition leads to structural changes in alpha-syn that may precede neurodegeneration. However, more than one condition (e.g. oxidative stress and proteasome inhibition) needs to be met to induce pathological changes.

No description available.

No description available.