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One of the pathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD) is the amyloid plaque deposition in aging brains by aggregation of amyloid-β (Aβ) peptides. In this study, the effect of chloroplast derived myelin basic protein (MBP) fused with cholera toxin subunit B (CTB) was investigated in advanced diseased stage of human and mouse AD brains. The CTB-fusion protein in chloroplasts facilitates transmucosal delivery in the gut by the natural binding ability of CTB pentameric form with GM1 receptors on the intestinal epithelium. Further, bioencapsulation of the MBP within plant cells confers protection from enzymes and acids in the digestive system. Here, 12-14 months old triple transgenic AD mice were fed with CTB-MBP bioencapsulated in the plant cells for 3 months. A reduction of 67.3% and 33.3% amyloid levels in hippocampal and cortical regions, respectively were observed by immunostaining of brain sections with anti- Aβ antibody. Similarly, 70% decrease in plaque number and 40% reduction of plaque intensity was observed through thioflavin S (ThS) staining that specifically stains amyloid in the AD brain. Furthermore, ex vivo 3xTg AD mice brain sections showed up to 45% reduction of ThS stained amyloid levels when incubated with enriched CTB-MBP in a concentration dependent manner. Similarly, incubation of enriched CTB-MBP with ex vivo postmortem human brain tissue sections with advanced stage of AD resulted up to 47% decrease of ThS stained amyloid plaque intensity. Lastly, lyophilization of plant material facilitates dehydration and long term storage of capsules at room temperature, in addition to increasing CTB-MBP concentration by 17 fold. These observations offer a low cost solution for treatment of even advanced stages of the AD by facilitating delivery of therapeutic proteins to central nervous system to address other neurodegenerative disease.

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Thesis (MScMedSC)--Stellenbosch University, 2012. / Bibliography / ENGLISH ABSTRACT: Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative movement disorder characterized by the loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra of the midbrain. Although the aetiology of PD is still not fully understood, it is thought to involve a combination of environmental (such as exposure to pesticides and neurotoxins) and genetic factors. A number of PD-causing genes have been found including SNCA, LRRK2, EIF4G1 and VPS35 (for autosomal dominant forms of PD) and parkin, PINK1, DJ-1 and ATP13A2 (for autosomal recessive forms of PD – arPD). Mutations in the parkin gene are the predominant cause of arPD. Parkin plays a role in the ubiquitin-proteasomal system which degrades damaged and unwanted proteins in the cell and it is also thought to be involved in maintaining healthy mitochondria. Numerous studies have implicated mitochondrial function in the pathogenesis of PD. Therefore the aim of the present study was to investigate the role of mitochondrial dysfunction in PD patients with parkin-null mutations. Four South African PD patients, each harbouring two parkin-null mutations, were recruited for this study. A muscle biopsy was performed for analysis of mitochondrial morphology using histology and transmission electron microscopy (TEM). Skin biopsies were taken, from which fibroblasts were cultured. These fibroblasts were used in i) mitochondrial morphological assessments using TEM, ii) mitochondrial network analysis, iii) functional studies via ROS measurement and iv) analysis of the proteome using a LTQ Orbitrap Velos mass spectrometer. In addition, RNA was isolated from peripheral blood samples for gene expression studies using the RT² Profiler PCR Array (SABiosciences, USA) and the RT² PCR Primer Assay (SABiosciences, USA). Heterozygous family members (carriers) and wild-type controls were also recruited for this study. Results from the histological and TEM analysis from the muscle biopsy observed subtle mitochondrial changes including the presence of type II fibres, atrophic fibres, the presence of lipids, and wrinkling of the sarcolemmal membrane. Enlarged mitochondria were also observed in one patient. TEM analysis on the patient’s fibroblasts observed an increase in the number of electron dense vacuoles, speculated to be autolysosomes. The mitochondrial network in two of the patients’ fibroblasts showed fragmented and dot-like networks which are indicative of damaged mitochondria. An increase in mitochondrial ROS levels was observed in three of the four patients. Expression studies found down-regulation of 14 genes from four of the five mitochondrial complexes and a total of 688 proteins were found only in the control and not in the patient fibroblasts. Some of these proteins are known to be part of the ‘mitochondrial dysfunction’ pathway. Taken together, these results indicate that the absence of parkin results in a number of mitochondrial alterations. Based on these findings, a model of PD was proposed: It is speculated that when parkin is absent, electron transport chain complex genes are down-regulated. This results in impaired oxidative phosphorylation, causing an increase in the production of mitochondrial ROS and subsequent oxidative stress. Mitochondria are then damaged; resulting in the fragmentation of the mitochondrial network. The impaired mitochondria are thus tagged for degradation, causing the recruitment of autolysosomes which engulf the mitochondria via mitophagy. Ultimately, as the compensatory mechanisms fail, this triggers the consequential cascade of cellular apoptotic events. This study has elucidated the effect of parkin on the mitochondria, and can act as a ‘stepping stone’ towards future development of therapeutic strategies and/or biochemical markers that will benefit not only patients with PD but also other neurodegenerative disorders. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Parkinson se siekte (PS) is ‘n neurodegeneratiewe bewegings-afwyking gedefineer deur die verlies van dopaminergiese neurone in die substantia nigra van die midde brein. Alhoewel die spesifieke oorsprong van die afwyking nog nie ten volle begryp is nie, word bydraes van beide omgewings faktore (bv. blootstelling aan plaagdoders en neurotoksienes) asook genetiese faktore gespekuleer. Vanuit ‘n genetiese aspek is ‘n aantal gene al geassosieer met PS. Hierdie gene sluit in SNCA, LRRK2, EIF4G1 en VPS35 (vir outosomale dominante vorms van PS) en parkin, PINK1, DJ-1, en ATP13A2 (vir outosomale resessiewe vorms van PS - orPS). Mutasies in die parkin geen is aangedui as die hoof oorsaak van orPS. Parkin speel ‘n rol in die ubiquitine-proteasomale sisteem wat beskadige en ongewensde proteïne binne in die sel verwyder en is verdink om by te dra tot die instandhouding van gesonde mitokondria. Mitokondriese wanfunksionering is ook deur talle studies gewys as ‘n bydraende faktor in die patologie van PS. Die doel van die studie is om ondersoek in te stel tot die spesifieke rol wat mitokondriese wanfunsionering speel in PS pasiënte met parkin-nul mutasies. Vier Suid-Afrikaanse PS-pasiënte, elk met twee parkin-nul mutasies, is gebruik vir die studie. Deur middel van spierbiopsies is monsters verkry vir mitokondriese morfologiese analises met behulp van histologiese en elektron-oordrag mikroskopie tegnieke (TEM). Vel biopsies is ook geneem en fibroblaste is gekweek vir die gebruik in: i) mitokondriese morfologiese assesering; ii) mitokondriese netwerk analiese; iii) funksionele studies waar vlakke van reaktiewe suurstof spesies (ROS) gemeet is; iv) proteoom analiese met behup van ‘n LTQ Orbitrap Velos massa spektrometer. RNA is ook geisoleer vanaf perifere bloedmonsters vir die gebruik in geen-uitdrukkings studies met behulp van ‘n RT² Profiler PCR Array en ‘n RT² Primer Assay. Selle vanaf famielie lede wat heterosigotiese draers is van die mutasie, asook normale (geen parkin mutasie) selle is gebruik as kontroles in die studie. TEM resultate vanaf die spier monsters het subtiele mitokondriese veranderinge getoon. Hierdie sluit in die teenwoordigheid van tipe II vesels, atrofiese vesels, teenwoordigheid van lipiedes, assook waarnemings van rimpeling van die sarcolemmal membraan. Vergrote mitokondrias is ook in een van die pasiënte opgelet. TEM resultate vanaf die fibroblaste het toename in die aantal elektron-digte vakuole vertoon, moontlik geidentifiseer as autolisosome. Gefragmenteerde en onderbreekte mitokondria netwerke is gelet tydens netwerk analiese van die fibroblaste, ‘n indikasie van beskadigde mitokondria. ‘n Toename in mitokondriese ROS vlakke is gevind in drie van die vier pasiënte. Af-regulering van 14 gene, geassosieerd met vier uit die vyf mitokondria komplekse, is verneem tydens die geen-uitdrukkings studie. Saam met dit is ‘n totaal van 688 proteïene geidentifiseer wat slegs teenwoordig is in die kontrole monsters en nie in die pasiënt monsters nie. Hierdie proteïene is almal uitgedruk en betrokke in die mitokondriese wanfunsionerings-weë. Hierdie resultate dui dat die afwesigheid van parkin mitokondriese afwykings tot gevolg het wat kan lei tot die afsterwing van selle. Dit dra ook by tot die vorming van ‘n beter-verstaande siekte-model vir PS: Mutasies in parkin (wat lei tot die afwesigheid van parkin) kan dus moontlik lei tot die af-regulasie van gene geassosieerd met die elektron-vervoer ketting komplekse in die mitokondria. Dit lei tot gebrekkige oksidatiewe fosforilering en veroorsaak ‘n toename in die vorming van ROS, wat dan ‘n toename in oksidatiewe stres binne in die sel tot gevolg het. Uiteindelik lei dit dus tot die beskadiging van die mitokondria wat gepaard gaan met fragmentering van die mitokondriese netwerk. Beskadigde mitokondrias word geetiketeer vir afbraking. Hierdie etiketering aktiveer omringende autophagosome wat die beskadigde mitokondrias dan verwyder deur middel van ‘n verswelgende proses genaamd mitophagy. Dit veroorsaak die aktivering van ‘n aantal gekorreleerde sellulêre prosesse wat lei tot apoptose (afsterwing van die sel). Hierdie studie dra by tot die verklaring van die spesifieke effek wat parkin mutasies het op die funksionering van die mitokondria. Resultate hier lê ook die grondslag vir toekomstige studies met die doel tot die ontwikkeling van terapeutiese strategeë en biochemiese merkers wat kan bydrae tot die genesing van beide pasiënte met PS, asook pasiënte met ander neurodegeneratiewe afwykings.

Les protéines amyloïdes sont retrouvées sous forme de fibres dans de nombreuses maladies neurodégénératives. En tentant d’élucider le mécanisme de fibrillation, les chercheurs ont découvert que cette réaction se fait par un phénomène de nucléation passant par des oligomères. Il semblerait que ces espèces soient la principale cause de la toxicité observée dans les cellules des patients atteints d’amyloïdose. C’est pourquoi un intérêt particulier est donc porté aux premières étapes d’oligomérisation. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à une séquence d’acide aminé fortement hydrophobe de l’α-synucléine appelée composante non β -amyloïde (Non-Amyloid β Component ou NAC). Cette dernière est retrouvée sous forme de fibres dans les corps et les neurites de Lewy des patients atteints de la maladie de Parkinson. De plus, elle constitue une composante minoritaire des fibres impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons observé les changements structuraux qui ont lieu pour le monomère, le dimère et le trimère de la séquence NAC de l’α-synucléine. Nous nous sommes aussi intéressés aux conséquences structurelles observées dans des oligomères hétérogènes qui impliqueraient, Aβ1−40. Pour cela nous utilisons des dynamiques moléculaires, d’échange de répliques couplées au potentiel gros-grain, OPEP. Nous constatons une disparition des hélices α au profit des feuillets β , ainsi que le polymorphisme caractéristique des fibres amyloïdes. Certaines régions se sont démarquées par leurs capacités à former des feuillets β . La disparition de ces régions lorsque NAC est combinée à Aβ laisse entrevoir l’importance de l’emplacement des résidus hydrophobes dans des structures susceptibles de former des fibres amyloïdes. / Amyloid proteins are found in fiber form in many neurodegenerative diseases. In attempting to elucidate the mechanism of fibrillation, researchers have found that fibril formation occurs by a nucleation mechanisms involving oligomers. It seems, in particular, that the latter species are responsible for the toxicity observed in the cells of patients suffering from amyloidosis. That is why special interest is focused in the early stages of oligomerization. In this this work, we focus on a highly hydrophobic amino acid sequence of the α-synuclein called Non-Amyloid β Component (NAC). The NAC is recovered in the form of fibers in the body and Lewy neurites in patients with Parkin- son’s disease. Moreover, it is a minority component of the fibers involved in Alzheimer’s disease. In particular, we observe the structural changes taking place for the monomer, dimer and trimer of the NAC region of α-synuclein. We are also interested in the structural consequences observed in heterogeneous oligomers which involve Aβ1−40. We use Hamiltonian and temperature replica exchange molecular dynamics (HT-REMD) simulations combined with the coarse-grained OPEP potential. We observe a loss of α-helices in favor of β -strands and the characteristic polymorphism of amyloid fibers. We also find that some regions are distinguished by their ability to form β -strands. The disappearance of these regions when combined Aβ with NAC suggests the importance of the location of hydrophobic residues in amyloid fibers structures.

La maladie de Huntington est une maladie neurodégénérative héréditaire qui est devenue un modèle d'étude pour comprendre la physiopathologie des maladies du cerveau associées à la production de protéines mal conformées et à la neurodégénérescence. Bien que plusieurs mécanismes aient été mis en avant pour cette maladie, dont plusieurs seraient aussi impliqués dans des pathologies plus fréquentes comme la maladie d’Alzheimer ou la maladie de Parkinson, nous ne savons toujours pas quels sont les mécanismes ou les profils moléculaires qui déterminent fondamentalement la dynamique des processus de dysfonction et de dégénérescence neuronale dans cette maladie. De même, nous ne savons toujours pas comment le cerveau peut résister aussi longtemps à la production de protéines mal conformées, ce qui suggère en fait que ces protéines ne présentent qu’une toxicité modérée ou que le cerveau dispose d'une capacité de compensation et de résilience considérable. L'hypothèse de mon travail de thèse est que l'intégration de données génomiques et transcriptomiques au travers des modèles qui récapitulent différentes phases biologiques de la maladie de Huntington peut permettre de répondre à ces questions. Dans cette optique, l'utilisation des réseaux de gènes et la mise en application de concepts issus de la théorie des graphes sont particulièrement bien adaptés à l'intégration de données hétérogènes, au travers des modèles et au travers des espèces. Les résultats de mon travail suggèrent que l'altération précoce (avant les symptômes, avant la mort cellulaire) et éventuellement dès le développement cérébral) des grandes voies de développement et de maintenance neuronale, puis la persistance voire l'aggravation de ces effets, sont à la base des processus physiopathologiques qui conduisent à la dysfonction puis à la mort neuronale. Ces résultats permettent aussi de prioriser des gènes et de générer des hypothèses fortes sur les cibles thérapeutiques les plus intéressantes à étudier d'un point de vue expérimental. En conclusion, mes recherches ont un impact à la fois fondamental et translationnel sur l'étude de la maladie de Huntington, permettant de dégager des méthodes d'analyse et des hypothèses qui pourraient avoir valeur thérapeutique pour les maladies neurodégénératives en général. / Huntington’s disease is a hereditary neurodegenerative disease that has become a model to understand physiopathological mechanisms associated to misfolded proteins that ocurs in brain diseases. Despite exciting findings that have uncover pathological mechanisms occurring in this disease and that might also be relevant to Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease, we still do not know yet which are the mechanisms and molecular profiles that rule the dynamic of neurodegenerative processes in Huntington’s disease. Also, we do not understand clearly how the brain resist over such a long time to misfolded proteins, which suggest that the toxicity of these proteins is mild, and that the brain have exceptional compensation capacities. My work is based on the hypothesis that integration of ‘omics’ data from models that depicts various stages of the disease might be able to give us clues to answer these questions. Within this framework, the use of network biology and graph theory concepts seems particularly well suited to help us integrate heterogeneous data across models and species. So far, the outcome of my work suggest that early, pre-symptomatic alterations of signaling pathways and cellular maintenance processes, and persistency and worthening of these phenomenon are at the basis of physiopathological processes that lead to neuronal dysfunction and death. These results might allow to prioritize targets and formulate new hypotheses that are interesting to further study and test experimentally. To conclude, this work shall have a fundamental and translational impact to the field of Huntington’s disease, by pinpointing methods and hypotheses that could be valuable in a therapeutic perspective.

La maladie de Huntington est une maladie neurodégénérative héréditaire qui est devenue un modèle d'étude pour comprendre la physiopathologie des maladies du cerveau associées à la production de protéines mal conformées et à la neurodégénérescence. Bien que plusieurs mécanismes aient été mis en avant pour cette maladie, dont plusieurs seraient aussi impliqués dans des pathologies plus fréquentes comme la maladie d’Alzheimer ou la maladie de Parkinson, nous ne savons toujours pas quels sont les mécanismes ou les profils moléculaires qui déterminent fondamentalement la dynamique des processus de dysfonction et de dégénérescence neuronale dans cette maladie. De même, nous ne savons toujours pas comment le cerveau peut résister aussi longtemps à la production de protéines mal conformées, ce qui suggère en fait que ces protéines ne présentent qu’une toxicité modérée ou que le cerveau dispose d'une capacité de compensation et de résilience considérable. L'hypothèse de mon travail de thèse est que l'intégration de données génomiques et transcriptomiques au travers des modèles qui récapitulent différentes phases biologiques de la maladie de Huntington peut permettre de répondre à ces questions. Dans cette optique, l'utilisation des réseaux de gènes et la mise en application de concepts issus de la théorie des graphes sont particulièrement bien adaptés à l'intégration de données hétérogènes, au travers des modèles et au travers des espèces. Les résultats de mon travail suggèrent que l'altération précoce (avant les symptômes, avant la mort cellulaire) et éventuellement dès le développement cérébral) des grandes voies de développement et de maintenance neuronale, puis la persistance voire l'aggravation de ces effets, sont à la base des processus physiopathologiques qui conduisent à la dysfonction puis à la mort neuronale. Ces résultats permettent aussi de prioriser des gènes et de générer des hypothèses fortes sur les cibles thérapeutiques les plus intéressantes à étudier d'un point de vue expérimental. En conclusion, mes recherches ont un impact à la fois fondamental et translationnel sur l'étude de la maladie de Huntington, permettant de dégager des méthodes d'analyse et des hypothèses qui pourraient avoir valeur thérapeutique pour les maladies neurodégénératives en général. / Huntington’s disease is a hereditary neurodegenerative disease that has become a model to understand physiopathological mechanisms associated to misfolded proteins that ocurs in brain diseases. Despite exciting findings that have uncover pathological mechanisms occurring in this disease and that might also be relevant to Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease, we still do not know yet which are the mechanisms and molecular profiles that rule the dynamic of neurodegenerative processes in Huntington’s disease. Also, we do not understand clearly how the brain resist over such a long time to misfolded proteins, which suggest that the toxicity of these proteins is mild, and that the brain have exceptional compensation capacities. My work is based on the hypothesis that integration of ‘omics’ data from models that depicts various stages of the disease might be able to give us clues to answer these questions. Within this framework, the use of network biology and graph theory concepts seems particularly well suited to help us integrate heterogeneous data across models and species. So far, the outcome of my work suggest that early, pre-symptomatic alterations of signaling pathways and cellular maintenance processes, and persistency and worthening of these phenomenon are at the basis of physiopathological processes that lead to neuronal dysfunction and death. These results might allow to prioritize targets and formulate new hypotheses that are interesting to further study and test experimentally. To conclude, this work shall have a fundamental and translational impact to the field of Huntington’s disease, by pinpointing methods and hypotheses that could be valuable in a therapeutic perspective.