Heidelberg, Univ., Diss., 2008.

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Ein Schlüsselbefund der Parkinson-Krankheit auf zellulärer Ebene ist das Auftreten von Protein-Einschlusskörperchen, sogenannten Lewykörperchen. Der Hauptbestandteil dieser Lewykörperchen ist pathologisch aggregiertes, fibrilläres α-Synuklein, ein Protein, welches Einfluss auf präsynaptische Vesikel, Protein- und Enzymfunktionen sowie den Dopaminstoffwechsel und den axonalen Transport hat. Bis heute ungeklärt ist die Ursache der Aggregation des Proteins. Zahlreiche Forschungsaktivitäten werden in diese Richtung unternommen. Die pathologischen Mechanismen, die zur abnormen Aggregation von α-Synuklein führen, bleiben noch weitgehend unbekannt. Ein großer Teil der Literatur unterstützt die Hypothese, dass α-Synuklein bei Punktmutationen oder erhöhter Expression anfällig für Aggregationen ist und damit Neuronen geschädigt werden. Die Einzelheiten dieses sukzessiven Aggregationsprozesses und die Mechanismen, die dabei letztlich den Zelltod verursachen, bleiben unklar. Alterungsprozesse und Umweltfaktoren sind entscheidende Risikofaktoren. Obwohl es immer mehr Hinweise gibt, dass α-Synuklein-Aggregate eine wichtige pathophysiologische Rolle spielen, wird bisher noch unzulänglich verstanden, wie die für die dopaminergen Neurone toxische Wirkung entfaltet wird. Als gesicherter Pathomechanismus der Degeneration der dopaminergen Nervenzellen gilt ein erhöhter oxidativer Stress. Es wird vermutet, dass er zur Aggregation des α-Synukleins beitragen kann. Ziel dieser vorgelegten Arbeit ist es, durch die Verwendung eines geeigneten Zellkulturmodells zur Aufklärung der beschriebenen pathologischen Mechanismen beizutragen. In dieser Studie wurden zwei artifizielle Modellsubstanzen in einer dopaminergen Primärzellkultur eingesetzt, die Pestizide Rotenon und Paraquat, um die pathologischen Verhältnisse in der Substantia nigra zu simulieren. Sie erzeugen oxidativen Stress durch Hemmung der mitochondrialen Atmungskette bzw. Redoxreaktionen mit molekularem Sauerstoff, was zum dopaminergen Zelltod führt. Im Rahmen dieser Studie gelang es, beide Parkinson-Zellkulturmodelle anhand der Lokalisierung, des Aggregationsverhaltens, des Einflusses auf die Mikroglia-Aktivierung sowie des Abbaus von α-Synuklein näher zu charakterisieren. Hierzu wurde α-Synuklein durch Fluoreszenzfärbung, Westernblot und Immunpräzipitation analysiert. Eine kurzzeitige Behandlung mit hoch konzentrierten Toxinen löst eine akute Degeneration dopaminerger Neurone aus, die so nicht der des Idiopathischen Parkinsons entspricht. Beim IPS erfolgt die Degeneration über Jahre hinweg. Um auch den Einfluss der zellulären Alterung auf die α-Synuklein-Aggregation zu zeigen, wurden die in dieser Arbeit verwendeten Zellkulturen über 46 Tage kultiviert und die Pestizid-Konzentration so eingestellt, dass etwa 25-50 % der dopaminergen Neurone absterben. Es konnte gezeigt werden, dass es nach chronischer Behandlung mit dem jeweiligen Pestizid zu den verschiedenen Zeitpunkten Unterschiede in der Lokalisation sowie in der Konformation von α-Synuklein gibt. Die zum Vergleich nur bis zum Tag 11 kultivierten Zellkulturen zeigten nach kurzer Behandlung mit hochkonzentrierter Toxin-Menge eine Ansammlung von α-Synuklein im Soma, aber keine Auswanderung und Lokalisierung in und an den Neuriten, wie es nach chronischer Rotenon-Behandlung beobachtet werden konnte. Bei den Rotenon-behandelten Zellen ist ein Prozess der Verlagerung und Anhäufung des α-Synuklein aus dem Soma in die Neuriten bereits ab einem früheren Zeitpunkt zu beobachten als in den Kontrollen, welche sich aber mit zunehmendem Alter ähnlich verhalten. Außerdem konnte in den Kulturen, besonders bei den Rotenon-behandelten dopaminergen Neuronen, ein punktförmiges Verteilungsmuster und größere Ansammlungen des Proteins in den Neuriten beobachtet werden, was für eine aggregierte Form des α-Synukleins spricht. Diese Aggregate ließen sich durch die Proteo-Aggreosom-Färbung nachweisen. Auch der Nachweis von am Serin 129 phosphoryliertem α-Synuklein in diesen größeren Ansammlungen gilt als Zeichen für eine aggregierte Form. Die Beobachtung, dass α-Synuklein mit zunehmendem Kulturalter aus dem Soma in die Peripherie austritt, konnte bei der chronischen Paraquat-Behandlung so nicht getätigt werden. Unter Paraquat-Behandlung war keine Herauf-Regulierung der Gesamt-α-Synuklein Expression in der Kultur zu beobachten, wie dies sowohl bei Kontrolle als auch bei Rotenon der Fall ist. Wir vermuten im Paraquat-Modell, dass die sich im Soma ansammelnde Form von α-Synuklein durch vermehrte Einschleusung in den Zellkern zur Toxizität beitragen kann. Auch eine Interaktion von α-Synuklein mit der Zellmembran könnte unter Paraquat-Einfluss zum dopaminergen Zelltod beitragen. Durch Immunpräzipitation und Fluoreszenz-Doppelfärbung von α-Synuklein und Ubiquitin konnten wir den Abbau des fehlgefalteten α-Synukleins in der Zelle durch Ubiquitinierung nachweisen. Unter Rotenon ist ab DIV 14 eine starke Kolokalisation von α-Synuklein und Ubiquitin zu erkennen, die im Verlauf der Kultur nachlässt und nur noch in punktförmigen Aggregaten außerhalb der Zelle zu sehen ist. Unter Paraquat zeigte sich während der gesamten Kultivierung Polyubiquitinierung und Kolokalisation der beiden Proteine in der gesamten Zelle. Die Aggregationsform von α-Synuklein scheint das Proteinabbausystem durch Ubiquitinierung zu beeinflussen, da wir davon ausgehen, dass es sich bei der α-Synuklein-Konformation zu verschiedenen Zeitpunkten in den Paraquat-behandelten dopaminergen Neuronen nicht um die Aggregationsform handelt, die wir unter Rotenon beobachten konnten.

Ein Schlüsselbefund der Parkinson-Krankheit auf zellulärer Ebene ist das Auftreten von Protein-Einschlusskörperchen, sogenannten Lewykörperchen. Der Hauptbestandteil dieser Lewykörperchen ist pathologisch aggregiertes, fibrilläres α-Synuklein, ein Protein, welches Einfluss auf präsynaptische Vesikel, Protein- und Enzymfunktionen sowie den Dopaminstoffwechsel und den axonalen Transport hat. Bis heute ungeklärt ist die Ursache der Aggregation des Proteins. Zahlreiche Forschungsaktivitäten werden in diese Richtung unternommen. Die pathologischen Mechanismen, die zur abnormen Aggregation von α-Synuklein führen, bleiben noch weitgehend unbekannt. Ein großer Teil der Literatur unterstützt die Hypothese, dass α-Synuklein bei Punktmutationen oder erhöhter Expression anfällig für Aggregationen ist und damit Neuronen geschädigt werden. Die Einzelheiten dieses sukzessiven Aggregationsprozesses und die Mechanismen, die dabei letztlich den Zelltod verursachen, bleiben unklar. Alterungsprozesse und Umweltfaktoren sind entscheidende Risikofaktoren. Obwohl es immer mehr Hinweise gibt, dass α-Synuklein-Aggregate eine wichtige pathophysiologische Rolle spielen, wird bisher noch unzulänglich verstanden, wie die für die dopaminergen Neurone toxische Wirkung entfaltet wird. Als gesicherter Pathomechanismus der Degeneration der dopaminergen Nervenzellen gilt ein erhöhter oxidativer Stress. Es wird vermutet, dass er zur Aggregation des α-Synukleins beitragen kann. Ziel dieser vorgelegten Arbeit ist es, durch die Verwendung eines geeigneten Zellkulturmodells zur Aufklärung der beschriebenen pathologischen Mechanismen beizutragen. In dieser Studie wurden zwei artifizielle Modellsubstanzen in einer dopaminergen Primärzellkultur eingesetzt, die Pestizide Rotenon und Paraquat, um die pathologischen Verhältnisse in der Substantia nigra zu simulieren. Sie erzeugen oxidativen Stress durch Hemmung der mitochondrialen Atmungskette bzw. Redoxreaktionen mit molekularem Sauerstoff, was zum dopaminergen Zelltod führt. Im Rahmen dieser Studie gelang es, beide Parkinson-Zellkulturmodelle anhand der Lokalisierung, des Aggregationsverhaltens, des Einflusses auf die Mikroglia-Aktivierung sowie des Abbaus von α-Synuklein näher zu charakterisieren. Hierzu wurde α-Synuklein durch Fluoreszenzfärbung, Westernblot und Immunpräzipitation analysiert. Eine kurzzeitige Behandlung mit hoch konzentrierten Toxinen löst eine akute Degeneration dopaminerger Neurone aus, die so nicht der des Idiopathischen Parkinsons entspricht. Beim IPS erfolgt die Degeneration über Jahre hinweg. Um auch den Einfluss der zellulären Alterung auf die α-Synuklein-Aggregation zu zeigen, wurden die in dieser Arbeit verwendeten Zellkulturen über 46 Tage kultiviert und die Pestizid-Konzentration so eingestellt, dass etwa 25-50 % der dopaminergen Neurone absterben. Es konnte gezeigt werden, dass es nach chronischer Behandlung mit dem jeweiligen Pestizid zu den verschiedenen Zeitpunkten Unterschiede in der Lokalisation sowie in der Konformation von α-Synuklein gibt. Die zum Vergleich nur bis zum Tag 11 kultivierten Zellkulturen zeigten nach kurzer Behandlung mit hochkonzentrierter Toxin-Menge eine Ansammlung von α-Synuklein im Soma, aber keine Auswanderung und Lokalisierung in und an den Neuriten, wie es nach chronischer Rotenon-Behandlung beobachtet werden konnte. Bei den Rotenon-behandelten Zellen ist ein Prozess der Verlagerung und Anhäufung des α-Synuklein aus dem Soma in die Neuriten bereits ab einem früheren Zeitpunkt zu beobachten als in den Kontrollen, welche sich aber mit zunehmendem Alter ähnlich verhalten. Außerdem konnte in den Kulturen, besonders bei den Rotenon-behandelten dopaminergen Neuronen, ein punktförmiges Verteilungsmuster und größere Ansammlungen des Proteins in den Neuriten beobachtet werden, was für eine aggregierte Form des α-Synukleins spricht. Diese Aggregate ließen sich durch die Proteo-Aggreosom-Färbung nachweisen. Auch der Nachweis von am Serin 129 phosphoryliertem α-Synuklein in diesen größeren Ansammlungen gilt als Zeichen für eine aggregierte Form. Die Beobachtung, dass α-Synuklein mit zunehmendem Kulturalter aus dem Soma in die Peripherie austritt, konnte bei der chronischen Paraquat-Behandlung so nicht getätigt werden. Unter Paraquat-Behandlung war keine Herauf-Regulierung der Gesamt-α-Synuklein Expression in der Kultur zu beobachten, wie dies sowohl bei Kontrolle als auch bei Rotenon der Fall ist. Wir vermuten im Paraquat-Modell, dass die sich im Soma ansammelnde Form von α-Synuklein durch vermehrte Einschleusung in den Zellkern zur Toxizität beitragen kann. Auch eine Interaktion von α-Synuklein mit der Zellmembran könnte unter Paraquat-Einfluss zum dopaminergen Zelltod beitragen. Durch Immunpräzipitation und Fluoreszenz-Doppelfärbung von α-Synuklein und Ubiquitin konnten wir den Abbau des fehlgefalteten α-Synukleins in der Zelle durch Ubiquitinierung nachweisen. Unter Rotenon ist ab DIV 14 eine starke Kolokalisation von α-Synuklein und Ubiquitin zu erkennen, die im Verlauf der Kultur nachlässt und nur noch in punktförmigen Aggregaten außerhalb der Zelle zu sehen ist. Unter Paraquat zeigte sich während der gesamten Kultivierung Polyubiquitinierung und Kolokalisation der beiden Proteine in der gesamten Zelle. Die Aggregationsform von α-Synuklein scheint das Proteinabbausystem durch Ubiquitinierung zu beeinflussen, da wir davon ausgehen, dass es sich bei der α-Synuklein-Konformation zu verschiedenen Zeitpunkten in den Paraquat-behandelten dopaminergen Neuronen nicht um die Aggregationsform handelt, die wir unter Rotenon beobachten konnten.

Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) stellt eines der wichtigsten zellulären Abbausysteme dar. Es vermittelt die Degradation fehlgefalteter, beschädigter sowie regulatorischer Proteine. Folglich ist es essentiell für die Proteinqualitätskontrolle und für eine Vielzahl zellulärer Prozesse. Eine Störung des UPS steht im engen Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen und malignen Tumoren. Adaptive Mechanismen ermöglichen es der Zelle das UPS an den stetig schwankenden Bedarf proteolytischer Aktivität anzupassen. So wirkt eine erhöhte Expression proteasomaler Gene einem Abfall der proteasomalen Aktivität entgegen. Der Transkriptionsfaktor TCF11/Nrf1 wurde hierbei als Hauptregulator identifiziert. Unter physiologischen Bedingungen ist TCF11/Nrf1 in der ER-Membran lokalisiert und wird über das ER-assoziierte Degradationssystem (ERAD) abgebaut. In Antwort auf Proteasominhibition wird der Transkriptionsfaktor aktiviert und in den Nukleus transferiert. Hier vermittelt er durch Bindung der regulatorischen antioxidative response elements die Genexpression proteasomaler Untereinheiten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass es sich bei diesem autoregulatorischen Rückkopplungsmechanismus um einen generellen adaptiven Regulationsmechanismus in Mammalia handelt. Zudem ergaben weitere Untersuchungen, dass der durch Proteasominhibition hervorgerufene oxidative Stress, die TCF11/Nrf1-vermittelte Aktivierung der Genexpression fördert. Die induzierende Wirkung von oxidativem Stress wurde ferner unter Verwendung des Pro-Oxidans Rotenon bekräftigt. Dieses Neurotoxin induziert die TCF11/Nrf1-abhängige Transkription proteasomaler Untereinheiten und folglich die Neubildung aktiver Proteasomkomplexe. Der Transkriptionsfaktor förderte ferner die Zellviabilität Rotenon-behandelter SH-SY5Y Zellen. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die TCF11/Nrf1-vermittelte Genexpression proteasomaler Untereinheiten bedeutend für die Aufrechterhaltung der Redox- sowie der Protein Homöostase ist. / The ubiquitin proteasome system (UPS) represents a major protein degradation machinery. It facilitates the degradation of misfolded and damaged as well as regulatory proteins, thereby ensuring protein quality control and regulation of various cellular processes. Disturbances of the UPS are strongly associated with neurodegeneration and cancer. Adaptive mechanisms enable the cell to deal with changing demand in proteolytic activity. A rise in proteasomal gene expression compensates for decreased proteasomal activity. This adaption is mainly regulated by the transcription factor TCF11/Nrf1. Under unstressed conditions TCF11/Nrf1 resides in the ER-membrane where it is degraded via the ER-associated protein degradation system (ERAD). Proteasome inhibition causes the nuclear translocation of TCF11/Nrf1. In the nucleus, it mediates the gene expression of proteasomal subunits by interacting with their regulatory antioxidant response elements. Within this thesis, it was shown, that this autoregulatory feedback loop represents a general adaptive mechanism in mammalian cells. Moreover, experiments using antioxidative compounds revealed, that the oxidative stress induced by proteasomal inhibition promotes the TCF11/Nrf1-dependent proteasomal gene expression. The inducing effect of oxidative stress was verified using the pro-oxidant rotenone. This neurotoxin activates the transcription of the proteasomal genes resulting in the formation of newly synthesised, active proteasome complexes. Thus, TCF11/Nrf1 exerts a cytoprotective function in response to oxidative and proteotoxic stress in SH-SY5Y cells. In conclusion, this thesis revealed that TCF11/Nrf1-dependent induction of the proteasome expression promotes the maintenance of the redox as well as protein homeostasis.