The neurodegenerative disorder Parkinson's Disease (PD) represents both a major socioeco-nomic challenge and an individual burden for many patients. Despite major efforts, neither satisfactory explanations of the pathogenesis of PD, nor disease-modifying drugs have been developed to date. Mutations of the multidomain kinase LRRK2 represent the overall most common cause of he-reditary PD. Furthermore, LRRK2 mutations have been linked to dysregulations of the immune system such as inflammatory bowel disease, cancer, or the susceptibility towards mycobacte-rial infections. Several pathogenic point mutations have been identified that – directly or indi-rectly – lead to a pathological gain-of-function of the protein’s kinase domain. Despite recent advances, the physiological functions of LRRK2, as well as the underlying processes of LRRK2-mediated pathologies, remain largely unknown. Much research effort has aimed at generating reliable animal models for the study of LRRK2. Nevertheless, neither loss-of-function of the gene, nor overexpression of normal or mutant LRRK2, has yielded definitive results. Previous work from our research group on zebrafish (Danio rerio) has generated two genetic lrrk2 knock-out lines using different mutagenesis strat-egies: lrrk2TILLING and lrrk2CRISPR (Ahrendt, 2011; Suzzi, 2017). These studies’ results were par-tially contradictory, and the described phenotypes were not stable. Whilst this previous work investigated lrrk2 loss-of-function, so far, no genetic knock-in line carrying one of the multiple known pathogenic lrrk2 mutations, has been reported in zebrafish. Therefore, this work aimed to further investigate the effects of Lrrk2-deficiency in zebrafish and to establish a genetic knock-in of the common pathogenic G2019S substitution to model the genotype of PD patients more accurately. A variety of methods was applied to achieve these aims. Immunohistochemistry and conventional histology studies were performed on zebrafish brains and kidneys at different developmental stages, both under physiological conditions and following the induction of brain regeneration. Since the zebrafish’s neuroregenerative capabil-ity is closely linked to an initial neuroinflammation, and previous studies on lrrk2 knock-out zebrafish have suggested an impaired immune response and reduced brain regeneration, the neuroinflammation and neuroregeneration of adult lrrk2TILLING zebrafish were investigated by inducing a telencephalic stab-lesion and a subsequent BrdU-pulse-chase analysis. To investi-gate functional effects of the gene knock-out, a set of behavioral experiments was performed. Using CRISPR/Cas9 genome editing, the basis for a knock-in of the G2019S substitution was established. Immunohistochemistry analyses of larval and adult zebrafish brains were performed in a set of experiments. By quantifying all mitotic cells in larval brains at different time points, the basal brain proliferation levels during development were analyzed, as well as the levels of constitutive neurogenesis during adulthood. Under physiological conditions, basal brain prolif-eration was found unimpaired in Lrrk2-deficient zebrafish. Similarly, the number of microglia found in the telencephalon of Lrrk2-deficient zebrafish was not reduced under physiological conditions, although one experimental group showed signs of neuroinflammation. Upon induc-tion of a traumatic brain injury in adult fish, neither the trauma-induced proliferation of leuko-cytes, nor the number of regenerated neurons were altered in Lrrk2-deficient animals. A multi-dimensional behavioral analysis of Lrrk2-deficient zebrafish revealed no significant constraints. The total swimming distance, average velocity and ratio of mobility states were unimpaired upon lrrk2-knock-out, as was the fish’s exploratory behavior in an anxiety model using a light-dark-box. In a test for social preference, Lrrk2-deficient and wild-type zebrafish showed the same tendency to join a group of conspecific animals, suggesting no major deficits in overall social interaction. In contrast to these preserved functions, adult Lrrk2-deficient kidneys revealed a pronounced accumulation of vacuole-like particles in the proximal renal tubules, a finding that may indicate disruptions in the endolysosomal pathway and that is in line with phenotypes described in LRRK2-deficient rodents as well as with the side effects induced by pharmacological LRRK2 inhibitors. These findings represent a promising lead for future exploration. During this work a CRISPR/Cas9 target site with high cleavage efficiency was established within the Lrrk2 kinase domain of freshly spawned zebrafish eggs. In combination with recent advances in CRISPR methodology, these results provide an opportunity for the generation of a genetic Lrrk2-G2019S knock-in line in zebrafish. In summary, this work found Lrrk2-deficient zebrafish unimpaired regarding various physiolog-ical functions. While in line with previously reported results, a satisfactory explanation for Lrrk2-mediatied pathogenesis is still lacking. Morphological alterations of Lrrk2-deficient kidneys hint towards perturbations in the lysosomal homeostasis, and a promising target for future re-search. Modelling human LRRK2 genotypes more precisely will hopefully provide further in-sights into the enigma of LRRK2 and its link to neurodegeneration. / Die neurodegenerative Erkrankung Morbus Parkinson (Idiopathisches Parkinson-Syndrom, IPS) stellt sowohl eine individuelle Belastung für betroffene Menschen als auch eine große sozio-ökonomische Herausforderung für die Gesellschaft dar. Trotz großer Anstrengungen konnten bisher weder zufriedenstellende pathophysiologische Erklärungen des IPS, noch krankheits-modulierende Medikamente entwickelt werden. Mutationen der Kinase LRRK2 sind die insgesamt häufigste Ursache für erbliche Parkinson-Syndrome. Darüber hinaus wurden LRRK2-Mutationen mit immundysregulatorischen Syndro-men wie chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen, Malignomen oder der Anfälligkeit ge-genüber Mykobakterien-Infektionen in Verbindung gebracht. Verschiedene pathogene Punktmutationen von LRRK2 sind bekannt. Diese führen – direkt oder indirekt – zu einer pa-thologischen Überaktivierung seiner Kinasedomäne. Trotz jüngster Fortschritte in der For-schung sind die Funktionen von LRRK2 und die Prozesse, die zu den LRRK2-vermittelten Pathologien führen, weiterhin weitgehend unbekannt. Viele Studien haben sich um die Entwicklung zuverlässiger Tiermodelle für die Untersuchung von LRRK2 bemüht. Dennoch haben weder die Untersuchung eines Gen-Funktionsverlusts noch die Überexpression von normalem oder mutiertem LRRK2 bislang zu eindeutigen Ergeb-nissen geführt. Frühere Arbeiten unserer Arbeitsgruppe haben in Zebrafischen (Zebrabärbling, Danio rerio) zwei genetische lrrk2-Knockout-Linien mit unterschiedlichen Mutagenesestrate-gien erzeugt: lrrk2TILLING und lrrk2CRISPR (Ahrendt, 2011; Suzzi, 2017). Die Ergebnisse dieser Studien widersprachen sich teilweise, und die beschriebenen Phänotypen waren nicht stabil reproduzierbar. Während alle bisherigen Arbeiten einen Funktionsverlust von Lrrk2 untersuch-ten, wurde bisher noch keine genetische Knock-in-Linie im Zebrafisch publiziert, die eine der zahlreichen bekannten pathogen-überaktivierenden LRRK2-Mutationen trägt. Ziel dieser Arbeit war es daher zum einen, die Auswirkungen eines Lrrk2-Funktionsverlusts in Zebrafischen weiter zu untersuchen, und zum anderen eine genetische Knock-in-Linie der häufigen pathogenen G2019S-Mutation zu etablieren, um den Genotyp menschlicher Parkin-son-Patienten präziser zu modellieren. Um diese Ziele zu erreichen, wurde eine Vielzahl von Methoden angewandt. Es wurden im-munhistochemische und konventionelle histologische Untersuchungen an Gehirnen und Nie-ren von Zebrafischen in verschiedenen Entwicklungsstadien durchgeführt, sowohl unter phy-siologischen Bedingungen als auch nach der Induktion einer Gehirnregeneration. Da die Fä-higkeit des Zebrafischs zur umfassenden Neuroregeneration durch eine initiale Neuroinflam-mation vermittelt wird und frühere Studien an lrrk2-Knockout-Zebrafischen in Folge traumati-scher Hirnverletzungen eine beeinträchtigte Immunreaktion und eine verringerte Neurorege-neration feststellen konnten, wurden die posttraumatische Neuroinflammation und die Neuroregeneration von adulten lrrk2TILLING-Zebrafischen untersucht, indem eine Stichverlet-zung des Großhirns induziert und eine anschließende BrdU-Pulse-Chase-Analyse durchge-führt wurde. Um die funktionellen Auswirkungen des Gen-Knockouts zu untersuchen, wurde eine Reihe von Verhaltensexperimenten durchgeführt. Mit Hilfe von CRISPR/Cas9-Genom-Editierung wurde die Grundlage für den Knock-in der G2019S-Mutation geschaffen. In einer ersten Reihe von Experimenten wurden larvale und adulte Zebrafischgehirne immun-histochemisch analysiert. Durch die Quantifizierung aller zerebraler mitotischer Zellen zu ver-schiedenen Zeitpunkten wurden die basale Hirnproliferation während der larvalen Entwicklung sowie die konstitutive Neurogenese im Erwachsenenalter analysiert. Unter physiologischen Bedingungen war die basale Hirnproliferation bei Lrrk2-defizienten Zebrafischen nicht beein-trächtigt. Auch die Anzahl der Mikroglia im Telenzephalon der Lrrk2-defizienten Zebrafische war unter physiologischen Bedingungen nicht verringert, obwohl eine Versuchsgruppe Anzei-chen einer Neuroinflammation zeigte. Infolge einer gezielten Verletzung einer Großhirnhemi-sphäre waren bei Lrrk2-defizienten Tieren weder die traumabedingte Proliferation von Leuko-zyten noch die Anzahl der anschließend regenerierten Neuronen verändert. Eine Verhaltensanalyse von Lrrk2-defizienten Zebrafischen ergab keine signifikanten Ein-schränkungen. Die Gesamtschwimmdistanz, die Durchschnittsgeschwindigkeit und das Ver-hältnis verschiedener Mobilitätszustände waren durch den Lrrk2-Knock-out unbeeinträchtigt, ebenso wie das Erkundungsverhalten der Fische in einem Angstmodell mit einer Hell-Dunkel-Kammer. In einem Test auf soziale Präferenz zeigten Lrrk2-defiziente und Wildtyp-Zebrafische die gleiche Tendenz, sich einer Gruppe von Artgenossen anzuschließen, was auf keine größeren Defizite in der allgemeinen sozialen Interaktion hindeutet. Im Gegensatz zu diesen unauffälligen Ergebnissen zeigten erwachsene Lrrk2-defiziente Nie-ren eine ausgeprägte Anhäufung vakuolenartiger Partikel in den proximalen Tubuli. Dieser Befund könnte auf Störungen im endolysosomalen Weg hinweisen und ist konsistent zu den bei LRRK2-defizienten Nagetieren beschriebenen Phänotypen, sowie den durch pharmakolo-gische LRRK2-Inhibitoren hervorgerufenen Nebenwirkungen. Diese Ergebnisse sind ein viel-versprechender Ansatzpunkt für künftige Experimente. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine CRISPR/Cas9-target-site mit hoher Schnitteffizienz in-nerhalb der LRRK2-Kinasedomäne von Zebrafisch-Embryonen etabliert. In Kombination mit Fortschritten in der CRISPR-Methodik bilden diese Ergebnisse eine Grundlage zur Erzeugung einer lrrk2-G2019S Knock-in-Linie. Zusammenfassend zeigt sich in dieser Arbeit, dass Lrrk2-defiziente Zebrafische in Hinblick auf verschiedene physiologische Funktionen nicht beeinträchtigt zu sein scheinen. Obwohl dies im Einklang mit früher berichteten Ergebnissen steht, bleibt eine zufriedenstellende Erklärung für die Lrrk2-vermittelte Pathogenese weiterhin aus. Morphologische Veränderungen in Lrrk2-defizienten Nieren deuten auf Störungen in der Homöostase des Lysosoms hin und bieten ein vielversprechendes Forschungsziel. Eine präzisere Modellierung des menschlichen LRRK2-Genotyps in fortschrittlichen Tiermodellen könnte zukünftig mehr Einblick in das Rätsel von LRRK2 und seiner Rolle in der Neurodegeneration bieten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:90265 |
| Date | 03 June 2024 |
| Creators | Wirsching, Paul |
| Contributors | Brand, Michael, Kempermann, Gerd, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0038 seconds